Brevet FR2847571A1 — publié le 20040528

DESSALEMENT D'EAU DE MER EN VUE DE PRODUIRE DE L'EAU DOUCE PAR UN PROCEDE GEOTHERMIQUE Le système retenu est celui de l'évaporation. C'est un système éprouvé, sr, efficace, gros consommateur d'énergie. Si cette dernière peut être obtenue par très bas prix, voire être gratuite, le système devient de loin le plus performant qui soit y,. i Le Brevet proposé est simple dans son esprit, sr dans son principe, modulable dans son fonctionnement, bénéficiant en ce qui concerne la partie forage de l'expression des pétroliers dans ce domaine. L'énergie utilisée étant l'énergie géothermique, le prix de l'eau douce produite revient: à l'investissement, aux frais d'entretien, de maintenance, et d'exploitation dont un résumé sera donné en fin de texte L'invention est décrite ci-après en regard des dessins, tableaux et notes de calcul annexés. La figure 1 donne une vue d'ensemble du principe énoncé, la figure 2 donne une représentation schématique de la nécessité d'une cavité tampon. La figure 3 montre le principe de l'arrivée d'eau chaude dans le bassin situé au sommet de l'installation qui produit la vapeur pour passer à l'eau douce et évacuer la saumure. La figure 4 montre un détail des gicleurs et de la possibilité d'intervenir en cours d'exploitation sans perturbation de cette dernière. Le dessin 5 montre le détail d'évacuation de la saumure qui doit être évacué sans risque de vaporisation. Le tableau 1 permet la détermination du prix de revient de l'eau douce. La fiche de calcul annexée montre la faisabilité technique du système, en particuliers la possibilité de faire remonter l'eau chaude en s'assurant qu'elle ne perd qu'une faible partie de sa température de manière à répondre au principe posé. Rappel du principe de fonctionnement: l'eau salée est prise à la surface de la mer ou à une certaine profondeur descend à travers un tube à une profondeur de 4000 m ou moins si possible. On sait que la température terrestre s'accroît d'environ 3 degrés tous les 100 mètres avec parfois des écarts importants 100C au mètre en Alsace. A cette profondeur, la température oscillera entre 115 et 120 degrés Une tubulure de remontée va alimenter le bassin en eau chaude à une température supérieure à la température de vaporisation. Dès lors la mise à l'atmosphère par les gicleurs se fait sous forme de vapeur. Le sel se dépose en fond de cuve et s'écoule sous forme de saumure dans l'eau de mer. Afin d'utiliser au mieux l'énergie géothermique, il faut tenter d'avoir la vitesse la plus faible à la descente et la plus rapide à la montée emmagasiner des calories d'un côté, en perdre le moins possible de l'autre. Dans cette configuration, il est possible le de produire en plus de l'énergie électrique: en disposant d'une turbine dans la descente en utilisant la vapeur en sortie pour entraîner une turbine tout en conservant la possibilité d'obtenir de l'eau douce. Rien n'interdit si nécessaire le tout électrique. Pour répondre aux conditions de fonctionnement et notamment d'un débit d'environ Im3 seconde, une simple circulation ne suffit pas. En effet, la conductivité des sols, environ 2 kcal h/m ne répond pas directement aux besoins calorifiques. Il faut donc créer de toutes pièces un réservoir tampon tel que figuré sur la planche 2, dont la contenance sera telle que le passage, ou le prélèvement d'un m3 seconde sera entièrement compensé par l'apport calorifique des parois. Le calcul montre qu'une capacité comprise entre 4000 et 6000 m3 permet le fonctionnement sans aucune perturbation sur la température, à titre informatif, pour 4000m3, si le réservoir était sphérique, son rayon ne serait que de 10 mètres. En fait, la forme de ce réservoir sera voisine d'un haricot ventru ce qui accroît la surface d'échange. Le dessin 1 qui représente le circuit de production d'eau douce montre que l'eau de mer salée, entre dans la descente par le tube d'alimentation, rencontre une vanne 2 destinée à réguler le remplissage et peut servir de vanne d'arrêt. Une pompe 3 permet de " pousser " l'eau de manière à faire remonter l'eau chaude vers la cuve 10. Dans son trajet, l'eau passe par le réservoir tampon décrit ultérieurement, atteint sa température de vaporisation, dans cette configuration, de 1150 à 1200 C. Cette eau remonte jusqu'à la cuve 10. L'eau est alors à une température légèrement inférieure à celle des réservoirs. Cette cuve est équipée de gicleurs 11 qui permettent à l'eau chaude de sortir à l'atmosphère o elle se transforme immédiatement en vapeur. Cette vapeur se condense au contact des condenseurs 14. L'eau douce ainsi produite est récupérée par des goulottes de récupération 14 ou tout autre système de récupération du ruissellement. L'évaporation provoque une augmentation de salinité de l'eau de la cuve. Par suite du rapport des densités, cette eau sous forme de saumure, se retrouve en bas de cuve et est évacuée en continu par le déversoir 7 qui sera décrit ultérieurement. Dessin 3 et 5 A remarquer que ce système se prête à la purification des eaux saumâtres, des fleuves, rivières, lacs etc... les impuretés sont traitées comme la saumure. La production envisagée et à titre d'exemple de l'ordre du m3 d'eau douce par seconde est soumise à un certain nombre de contrainte. Un indicateur de température 4 permet en fonction de ses indications de faire varier le débit de manière à respecter les conditions de fonctionnement. Un indicateur de salinité 5 permet de comparer la salinité du fond à celle de l'eau entrante. Des automatismes plus élaborés sont envisagés mais leur description d'aide à l'exploitation ne modifie pas les principes. Ils sont donc par ailleurs si variables, que les décrire n'apporterait rien d'autre qu'un alourdissement du texte, aussi nous ne le ferons pas. Le principe étant défini, il importe de s'assurer de sa faisabilité, de son cot de réalisation, de son cot d'exploitation, de sa durée, le prix de l'eau douce étant lié à tous ses paramètres. 2847571 FAISABILITE: Les moyens de forage mis au point par les pétroliers autorisent des forages à ces profondeurs. La chambre d'échange thermique qui joue ici un rôle de tampon de température aura son volume lié au débit de l'eau que l'on veut récupérer. Le cot de réalisation est tiré du livre de Mr JP NGUYEN de l'Ecole Nationale Supérieure du Pétrole et des Moteurs. Cet ouvrage permet une approche du prix et des temps d'exécution. En réactualisant les pris de 1993, on retiendra un prix moyen de 4000 F/ml auquel s'ajoute l'opération de tubage et cimentation. Dans le principe qui nous intéresse, le tuyau de descente aura le plus grand diamètre possible car il servira également à la remontée des déblais de la chambre de compensation. Dans l'exemple choisi: im3 seconde, ce diamètre pourrait être de 50 cm et sa construction se faire en béton selon le principe utilisé par les tunneliers. Si l'on retient que l'habillage représente sensiblement le prix du forage, nous arriverions à un cot total de 8000 f le mètre linéaire. Ce qui dans le cas d'une profondeur de 4000 m, représenterait 64 millions de francs français. Le dessin 3 représente le système clé du brevet. L'arrivée d'eau chaude se fait par le collecteur 1, une vanne 2 permet l'isolement de ce collecteur, un collecteur de distribution 3 autorise une multi répartition de l'eau chaude dans la cuve. Les tuyauteries sont toutes équipées de vannes d'isolement. La saumure s'évacue par l'orifice 4, on connaît à chaque instant l'épaisseur de la saumure 6 par l'indicateur enregistreur épaisseur saumure de même, la température de l'eau est connue par l'indicateur enregistreur de température (7). Le réservoir contenant l'eau chaude (8) aura des dimensions beaucoup plus restreintes que le réservoir tampon. Les gicleurs sont montés par groupe: distributeur -9) qui sera vu dans le détail ultérieurement. Un filtre (10) sépare l'eau chaude du réservoir de l'eau chaude arrivant au gicleur (11). L'évacuateur d'eau douce (12) renvoie cette eau dans les réservoirs appropriés. Les condenseurs sont symbolisés par les traits verticaux (13). DETAIL SUR LES GICLEURS:. L'entretien de ces derniers, nettoyage des filtres individuels, débouchage des têtes de gicleurs, doivent se faire sans que l'exploitation ne soit interrompue. Les gicleurs sont donc montés par groupe et le nombre de groupe sera supérieur aux besoins de manière à avoir constamment la possibilité d'entretenir des gicleurs sans modifier la production. Le plan 4 montre le principe retenu. Un caisson (1) contenant l'eau chaude salée, un piston d'isolement (2) agit comme une soupape d'admission. Une soupape (3) commandée par ce piston introduit un double facteur d'étanchéité. Un joint étanchéité (4) assure une étanchéité parfaite lors de l'intervention de longue durée. La commande du piston (5) est représentée schématiquement, elle peut être manuelle ou hydraulique ou les deux. Les gicleurs (6) sont amovibles - raccordement universel par simple pression-. Le dessin 5 représente le système d'évacuation de la saumure. Une attention particulière est apportée à cette évacuation car un simple déversement à l'atmosphère se traduirait par une vaporisation. Dans le cas présent la saumure travers un cylindre 4 entouré d'un système de refroidissement 3 qui fait descendre sa température en dessous de 100 degrés, ce qui supprime tout risque d'évaporation, l'évacuation se fait alors à travers le récipient 5, à noter que si le bassin n'est pas très au dessus du niveau de la mer, un simple tube plongeur dans cette dernière ferait l'affaire. ! DETAILS SUR LES CONDENSEURS | Ces condenseurs seront refroidis par de l'eau de mer puisée à grande profondeur ce qui évite l'utilisation de fluide réfrigérant. Les condenseurs seront du type plan ou cylindrique selon les besoins. La couverture de l'enceinte sera refroidie en permanence (sauf par temps de pluie) de manière à permettre la condensation des vapeurs non traitées par les condenseurs. La récupération de l'eau de condensation se fera dans des rigoles déversant dans des collecteurs d'évacuation. | DEPENSES DU PERSONNEL: | On considéra qu'il faut 4 opérateurs d'exploitation 2 spécialistes d'entretien, 3 techniciens d'entretien, 1 responsable administratif et une secrétaire et un magasinier soit au total 12 personnes. En retenant un prix de 20000 francs par personne, la dépense annuelle est de 2880000 Francs. On considère que les dépenses énergétiques (pompes et éclairages) s'élèvent à 2200000 Francs, les dépenses de rechange à 1000000 d'o un total de 5080000 Francs annuels soit 774 000 Euros. INVESTISSEMENTS: | Canalisation principale Environnement Pompes Eclairage signalisation Protection et accès à l'exploitation Plate forme si nécessaire Total de l'investissement Frais financiers Total de l'investissement Durée prévisible de l'installation Débours ramenés à l'année Dépenses d'exploitation Dépenses comptables annuelles : 64 M : 64M : 1M : 1M : 2M : 2M : 134 M F : 40M 174 M : 30 ans :174M sur 3 = 5800000 : 5080000 :10880000 En M d'Euros 9,757 M 9,757 M 0,152 M 0,152 0,305 0,305 ,430 6,010 26,528 0 ans F 0,884 F 0,774 F 1,658 9 2847571 PRIX DE REVIENT DU M3 D'EAU DOUCE Nous retenons un débit de 1 m3 /s ce qui donne un débit de 31104 000 m3/an Le prix du m3 par an s'établit donc à 10880000 F / 31104000 = 0, 3497 F arrondi à 0,35 F soit 0,053 Euros. 1 0 TABLEAU 1 O Détermination du prix de revient du m3 d'eau douce. Ces prix peuvent varier selon le type d'installation. Dans le tableau cidessous figure les prix au m3 dans les cas de deux installations légères plafonnée à 30-40 millions de m3/an, installation lourde démarrant à 550600 millions de m3/an. Cette dernière autorise des accroissements de production avec des investissements supplémentaires modérés et de surcroît permet la production d'énergie électrique de puissances confortable à titre d'exemple de 40 à 400 mw pour le " bas de gamme ". à 40 millions Min 550 millions m3/an m3/an Investissements (euros) 20,43 10(6) 510 10(6) Frais financiers 6,010(6) 304 10(6) Recharge inclus invest 204 10(6) Durée 30 ans 50 ans Débours totaux 26,44(6) 1018 10(6) Débours ramenés à l'année 26,44() 20,36 10(6) Dépenses totales 884000,00 20,36 10(6) d'exploitation 774000,00 3,6 10(6) Dépenses comptables 1 658000,00 23,9 10(6) annuelles Débit mr)ini annuel 32 10(6) 550 10(6)m PR M3 0,053 euros 0,0434 euros (0,347 FF) (0,284 FF) i_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 1 ' FICHE DE CALCUL 1) Détermination des surfaces d'échanges thermiques Application à un débit de 1m3/s Capacité calorifique de l'eau 4,18 kj/kg/0C Capacité calorifique du sol 2 kj/kg/0C Conductivité du sol 8 Kj/h/m 0C Densité du sol 2000 kg/m3 Energie nécessaire pour 1m3 d'eau de 20 à 120'C W=m.c.T = 1000x4,18x100 418 000 KJ Disponibilité énergétique par m3 sol W=m.c. T =2000x2x120 = 480 000 KJ Disponibilité horaire par m2 480 000 x 8 = 3 840 000 KJ Enerpie disponible /seconde/m 3 840 000 /3600 = 1 060 KJ Surface nécessaire 418 000: 1 060 394 m2 Cette surface pourra être celle d'une sphère ou d'un cylindre. Dans le cas d'une sphère, on aurait un rayon de 5,6 m soit un volume de 735 m3. Dans la pratique, on multipliera cette capacité par 5 ou 6 pour tenir compte des aléas de conductivité des sols. 1 2 |DETERMINATION DE LATEMPERATURE DE L'EAU A L'ARRITEE DEtERMINATIO DE LA AUX GICLEURS l On montre qu'un régime établi en a sensiblement T=W Ialphax S Alpha s T = coefficient de radiation = surface d'échange en m2 = température OC Ici, il faut tenir compte du temps de parcours et de la vitesse, On aura alors: T =(W/Alpha.S)V T Tout calcul fait pour un diamètre de 0,2 m une section de 0,0314 m2 une vitesse de 32m/s un tube de 4000 m On s'aperçoit que la chute de température est de 0,850C inférieure à 1C. Ceci est à rapprocher des relevés faits sur des puits de pétrole au Koweit à 1800m: T= 115'C 0 à la sortie: T = 1140/1150C aux erreurs de mesure près. ! REVENDICATIONS: | 1) Système de dessalement de l'eau de mer caractérisé en ce qu'il comporte les éléments suivants: Une double canalisation descente d'eau de mer froide passage dans une poche d'échange située à grande profondeur, remontée d'eau chaude à une température supérieure à 1 000C aboutissant dans un réservoir équipé de gicleur de vaporisation, au dessus des condenseurs chargés de la condensation de la vapeur, en partie basse du réservoir, un écoulement de la saumure à travers un système adéquate pour éviter une vaporisation par mise à l'atmosphère. Cette saumure retourne directement à la mer. 2) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une grille ou plusieurs grilles à fines mailles sont montées sur les gicleurs afin de protéger les gicleurs des particules en suspension dans l'eau salée qui pourrait soit les obturer, soit diminuer leur débit. Ce système autorise aussi le traitement des eaux saumâtres. 3) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vapeur produite, exempte de sel, est transformée en eau douce par condensation sur des parois froides. 4) Système de dessalement selon la revendication 3 caractérisé en ce que les gicleurs de vaporisation, montés par groupe, sont accessibles à l'entretien, en remplacement sans interruption de la production d'eau douce. 5) Système de dessalement selon la revendication 3 caractérisé en ce que les condensateurs sont alimentés directement en eau de mer puisée à une profondeur telle que la température de condensation soit assurée. 6) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la saumure de fond de réservoir s'écoule à travers un ensemble interdisant la vaporisation. 7) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sections des tuyauteries descente eau froide montée eau chaude sont différentes. La vitesse de l'eau froide est inférieure à la vitesse de l'eau chaude. L'eau froide peut ainsi emmagasiner des calories à la descente et l'eau chaude en perdre le moins possible à la montée. 8) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une turbine pour fournir de l'électricité, entraînée par la différence des densités: - eau froide descendante - eau chaude montante et aussi par les différences de section entre les canalisations montantes et descendantes. 9) Système de dessalement selon la revendication 7 caractérisé par le fait qu'il comporte une turbine à vapeur en une turbine hydraulique sur la sortie eau dessalée en vu de produire de l'électricité jointe au dessalement.