Brevet FR2863604A1 — publié le 20050617

Système de dessalement en masse de l'eau de mer, basé in situ, tous types de plans en eau marine. Le XXI èmes siècle: Le siècle de l'eau, tout indique que le pétrole va être détrôné, à là fois comme matière première, comme facteur économique et comme déterminent géostratégique. Cette eau qui recouvre les deux tiers de la surface du globe et qui pourtant pose problème. L'invention à pour objet le dessalement en très grandes quantités de l'eau de mer par évaporation forcée, au moyen d'un générateur de cyclone artificiel à auto-amorçage, pourvu que le dispositif permet le passage d'un débit massique important. Le présent document met en exergue les applications nécessaires et incontournables de l'invention tant plus est, quand il y a entré en phase d'exploitation du système. On connaît déjà une tour aérothermique à vortex décrit notamment dans le document FR 2834508 A. Néanmoins, ce document présente de nombreux inconvénients et failles dans sa conception qui dans une exploitation ne peut rendre économiquement viable le système s'il n'est pas procédé 15 à d'autres choix et approches. En effet, selon l'invention décrite dans le document FR 2834508 A, elle nécessitait la création d'un canal d'avancé de l'eau de mer, ainsi qu'un bassin d'évaporation, et d'un canal de retour à la mer avec un pompage pour compenser la différence de niveau. Une autre problématique et non des moindres figure dans ce document, car il peut avoir 20 un impact négatif sur 1 environnement en cas d'exploitation. Toujours selon ce document, en fin de cycle technique de dessalement, les quantités de sels restants sont énormes, sachant qu'en moyenne, le sel dissous dans l'eau de mer est présent pour une quantité de 30g/litre d'eau de mer, qui pour 1,5 millions de m3 d'eau dessalée par 24 heures, représente 4500 tonnes de sel à traiter et à évacuer par jour. Avec un tel système et dans cette configuration, les risques sur l'environnement ne sont pas à écarter par des infiltrations possibles dans les sols ou par une concentration massive de sel 2 2863604 dans l'eau aux alentours de la tour aérothermique une fois le sel évacué et rejeté à la mer. De telles opérations résultant de cette technique aura aussi une répercussion directe sur les coûts d'exploitations plus importants que ceux qui sont décrits dans ce même document FR 2834508 A. Pour en revenir à la présente invention, il est capital de permettre une production d'eau douce à partir du dessalement de l'eau de mer à une échelle pouvant répondre aux besoins mondiaux de pénurie d'eau potable dans le monde. Aujourd'hui, deux techniques de dessalement de l'eau de mer sont utilisées séparément, ou parfois jumelées. La plus ancienne, le dessalement par distillation, représente environ 70 % des usines dans monde. La deuxième, plus récente, est le dessalement par osmose inverse. II existe à peut près 12500 usines de dessalement à travers le monde, qui traitent environs 20 millions de m3 par jour, allant des plus petites unités qui produisent quelques mètres cubes, aux plus importantes qui fournissent 267000 m3 par jour. Ou encore par exemple, une autre usine dont 84 % de l'eau potable produite et consommée essentiellement par la population de la capitale du pays. Le précieux liquide est acheminé par deux canalisations parallèles sur plus de 400 Km et stocké dans deux réservoirs de 1,5 millions de m3 chacun, ce qui représente deux jours de réserve pour la capitale. Nous verrons plus loin que ce chiffre est important au regard du système de la présente invention. Beaucoup de ces usines de dessalement fonctionnent à plein rendement et tombent où tomberont en pannes du fait de leur vieillissement malgré une importante maintenance. Imaginez les conséquences dramatiques sur une population et un pays privée ainsi d'eau potable provenant de tels systèmes de dessalement de l'eau de mer. Dernier exemple, dans un autre pays, grand consommateur d'eau douce à partir du dessalement de l'eau de mer, la construction d'une centrale produisant 100 millions de gallons par jour (soit:453000 m3/j), pour un investissement de 1 milliard d'USD, est actuellement en fin de construction. Malgré sa production, qui devrait être selon les chiffres, de 166 millions de m3 d'eau douce par an, sa capacité ne sera pas à la hauteur des besoins croissants de ce pays. 3 2863604 En 2025, 5 milliards d'êtres humains manqueront d'eau. Tous ces procédés, malgré leurs évolutions techniques, ont le fort inconvénient d'être des procédés très onéreux et pas à la portée des pays émergeants parce qu'ils nécessitent pour leurs Fonctionnement beaucoup d'énergie et que le prix de revient du m3 d'eau douce obtenu est de l'ordre de 0,50 à 1 selon le procédé. Pourtant, le dessalement de l'eau de mer ne représente que 1 % de l'eau douce consommée dans le monde bien que ce soit la seule solution pour les zones où les chutes dé pluie et les sources souterraines sont rares. Aux regards de ces chiffres, les problèmes posés aujourd'hui pour répondre à l'énorme besoin en eau douce de la planète sont les suivants: - Pouvoir dessaler 1 million et plus par jour et par unité de dessalement. Réduire selon l'invention, le coût de production du m3 d'eau dessalée en réduisant les coûts d'exploitations: 0,08 USD le m3. - Accroître la longévité des unités de dessalement pour réduire les investissements dans le temps. - Éviter les traitements et stockage du sel et leurs impacts négatifs sur l'environnement. Obtenir des unités de production d'une grande fiabilité dans le temps. Éviter d'arrêter les unités pendant les périodes de maintenances afin d'assurer la production d'eau douce en continu. Ce globe sur lequel nous vivons est une fantastique machine thermodynamique qui développe une énergie sans comparaison avec les plus audacieuses prétentions humaines. La transformation naturelle de la radiation solaire en énergie thermique est à l'origine des grands courants atmosphériques et maritimes entre les pôles et l'équateur. La vapeur d'eau dans l'atmosphère due à l'évaporation des lacs et des mers, en se condensant, forme la pluie ou la neige, qui irrigue le sol et alimente les fleuves, formant ainsi un cycle thermodynamique complexe, pour revenir enfin aux lacs et aux mers d'origines. Les courants atmosphériques et maritimes sont généralement de faible densité énergétique, dont la concentration, pour des 4 2863604 causes naturelles peuvent se manifester violemment souvent catastrophique, comme: les tornades, cyclones et ouragans dévastateurs. En effet, il existe une énergie thermique potentielle qui est le résultat de la différence de température entre les couches de l'atmosphère en altitude et celles qui sont en contact avec le sol. Celui-ci fonctionne comme capteur et convertisseur thermique de la radiation solaire pour réchauffer ces masses d'air alors que, à plusieurs kilomètres d'altitudes, les couches supérieures restent froides en permanence en raison de leur plus faible densité et de la radiation vers l'espace. Cette différence de température provoque des courants ascendants de convection qui s'associent aux courants horizontaux équato- polaires. Par conséquent, là où il existe une différence de température permanente, même variable entre deux points distants, il existe la possibilité théorique d'établir un cycle thermodynamique. La tornade, le tourbillon ou le cyclone est, en condition d'instabilité atmosphérique, le résultat de l'acquisition par une masse d'air d'un mouvement de rotation; lequel, lent au départ devient rapide dans certaines conditions réunies en étant associé à un mouvement ascensionnel. Ce double mouvement, dans lequel prédomine la rotation, se traduit par la formation d'un vortex de basse pression à l'intérieur d'un cylindre ou plus précisément d'un cône très allongé, de haute pression relative qui est appelé par les météorologues: Tuba. Celui-ci est une caractéristique du tourbillon globalement renforcé et entretenu par les forces de Coriolis (force due à la rotation de la terre, qui a pour effet de dévier tout objet en mouvement vers sa droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud) dues à la rotation de la terre entraîne les masses fluides se déplaçant suivant les méridiennes vers les parallèles avec un maximum d'effet au niveau des tropiques. Le tuba représente une cheminée qui empêche les échanges de chaleur entre l'air du tourbillon et l'air ambiant en permettant l'ascension du vortex jusqu'au niveau de l'équilibre Archimédien à grande altitude et favorisé par la diminution progressive de la pression atmosphérique. Le phénomène ne peut devenir stable que si la masse d'air entraînée devient assez importante pour vaincre les forces de 2863604 frottement des molécules d'air entre elles et lorsque les forces de Coriolis deviennent prépondérantes. Par conséquent, si l'on construit une tour de dimensions convenables ayant la force d'un venturi (tube comportant un rétrécissement utilisé pour la mesure du débit des fluides) vertical avec un convergent-divergent, le système va constituer un générateur de cyclone artifice à auto-amorçage pourvu que le dispositif permette le passage d'un débit massique important. La partie amont de la tuyère que constitue également cette tour est munie de déflecteurs, qui permettent d'accélérer en rotation les masses d'air dans le sens correspondant aux forces de Coriolis suivant l'hémisphère terrestre, où doit fonctionner le système. Le résultat du déplacement d'air en rotation à l'intérieur de la tour conduit à la formation d'un vortex au niveau du plus petit diamètre du col. Cette dépression, favorisée également par la baisse de dépression des molécules d'air induite par l'accélération, est accompagnée d'une élévation de la pression périphérique due à la force centrifuge et en équilibre avec la force centripète (qui tend à rapprocher du centre). L'ensemble donne lieu à la formation du système vortex-tuba qui, se prolongeant au-delà du débouché de la tour, va se poursuivre en altitude jusqu'à ce qu'un équilibre s'établisse entre le At, la poussée Archimédienne et les pressions relatives. Le système est une machine thermodynamique à circuit ouvert et a été appelé : tour cyclonique à dépression ou tour à vortex (tourbillon creux qui prend naissance sous certaines conditions dans un fluide en écoulement). Puis, par des aménagements en vue de capter l'énergie cinétique (énergie d'un corps en mouvement) du tourbillon au niveau du col. Pour l'invention, par des aménagements appropriés, d'un tel système, la tour aérothermique à vortex peut assurer la dessalinisation de l'eau de mer. Une tour de trois cents mètres de hauteur ayant une base aux mêmes dimensions peut produire dans de bonnes conditions d'ensoleillement le dessalement de 1,5 millions de m3 d'eau de mer par jour. Nous abordons là, une échelle de production d'eau douce au niveau industriel qui n'a jamais été obtenue à ce jour et doit en partie répondre aux problèmes majeurs énoncés au tout début de ce document. La quantité d'eau dessalinisée dépendant des dimensions de la tour hauteur - base, le présent Système de dessalement en masse de l'eau de mer est caractérisé en ce qu'il comporte les éléments et points suivants: Une tour aérothermique générateur de cyclone artificiel à auto-amorçage ayant la force d'un venturi avec un convergent-divergent s'évasant à sa base sur un diamètre au moins égal à sa hauteur. La tour est constituée à sa base par un ensemble de parois verticales courbes destinées à mettre la masse d'air aspirée au travers d'ouvertures entre ces parois, en mouvement rotatif pour, amorcer et entretenir en permanence un cyclone se formant à l'intérieur. Un voile interne se terminant par une colonne se prolongeant jusqu'en dessous du col de la tour, qui engendre le tuba qui maintient la stabilité et la forme du cyclone à la sortie de la tour. Pour sa construction, la tour sera pour sa plus grande part constituée en bétons ultra-performants dans leurs applications et qui permettent de répondre aux exigences de maîtrise d'ouvrage et d'oeuvre du cahier des charges. Nous retrouverons pour l'édification de la tour, pour les parties, radiers, fondations, panneaux, voiles internes, les qualités et performances des bétons de types bétons autoplaçants, bétons à hautes performances, bétons fibrés à ultra-hautes performances (BAP, BHP, BTHP, BUMP, BFUHP) qui permettront également la longévité de chaque tour construites.. La base de la tour sera entourée d'une couverture à effet de serre sur un rayon d'environ 1500 mètres a fin d'assurer la régularisation du cyclone, ainsi que pour limiter la vitesse d'entrée 20 d'air à quelques mètres/seconde, ce qui évitera le transport des poussières dans l'atmosphère. 7 2863604 La tour implantée in situ en mer à proximité de la côte à faible profondeur (10 à 20 mètres), il n'y a pas de problème de stockage et traitement de sel (1,5 millions de m3 d'eau de mer dessalinisée J 4500 tonnes de sel), ni d'évacuation de la saumure vers la mer. II n'y a pas également, ni travaux de creusement de basin d'évaporation et de canal d'amenée et d'évacuation de l'eau de mer. L'eau de mer présente autour de la tour en quantité illimitée est sans risque de salinisation. L'implantation de la tour en mer nécessite l'édification d'une enceinte à batardeau (digue, barrage provisoire établi pour assécher la partie où l'on veut exécuter les travaux) pendant les travaux de fouille et d'édification des fondations jusqu'à une hauteur hors-d'eau. Ces problèmes sont parfaitement connus et maîtrisés dans la construction des plates-forme en béton des exploitations pétrolières en mer. L'accès à la tour aérothermique en période d'exploitation et de production, en fonction de sa distance du rivage peut se faire par barge ou par;une passerelle pour le personnel et les engins légers. La tour aérothermique sera partiellement entourée d'un mur brise-laines de type courant qui rendra la mer étale au pied de la tour. Ce mur dont l'épaisseur est fonction de la force maximale des vagues est percé de trous ronds, les vagues viennent s'y briser en perdant leur énergie et les trous laissent passer des jets d'eau qui ne s'écoulent pratiquement que par gravité. La houle est brisée et les légères vagues s'amortissent avant d'atteindre la zone d'aspiration à la base de la tour. Cette construction se fera en mer peu profonde, de 10 à 20 mètres maximum et que dans ces conditions, même par tempête, les fonds marins représentent un excellent amortisseur. Là aussi, la construction de digue brise-lames est connue et maîtrisée, comme par exemple une digue capable de résister à des vagues de 18 mètres de hauteur. La tour aérothermique à vortex, générant un cyclone artificiel à autoamorçage, fait que par définition, le tourbillon engendré ne s'arrête plus, dès son auto-amorçage, or pour les divers 8 2863604 opérations de maintenances et de vérifications générales sur la et près de la tour, même si ces dernières sont peu nombreuses en comparaison des techniques ce dessalement utilisées aujourd'hui (appareillages, tubulures, etc....), elles sont néanmoins nécessaires. Aussi, un dispositif constitué de plusieurs volets amovibles et coulissants sur les flancs de la tour doit être disposé. L'effet essentiel de ce dispositif est de couper le tourbillon résultant des forces du cyclone artificiel générés par la tour aérothermique dans son concept. Ce dispositif sera commandé à distance. Sans ce dispositif, la tour aérothermique fonctionne en permanence 24/24 heures. La récupération de l'eau s'effectue par condensation forcée de la vapeur contenue dans l'air aspiré par effet venturi au moyen d'un condenseur serpentin, par exemple de cinq à quinze spires. Ce condenseur est fixé contre la paroi interne de la tour, sur sa partie haute, immédiatement audessus de la partie la plus étroite du col. Sa surface d'échange, pour une tour de 300 mètres de hauteur, sera d'environ 180 000-- 200 000 m2. Il condense la vapeur contenue dans l'air en circulation et la transforme en eau douce ruisselant le long du dit condenseur. Cette eau douce récupérée dans une gorge annulaire contre la paroi interne de la tour, située en dessous du col à environ 100 mètres de hauteur, d'un volume permettant d'évacuer par gravité un débit de ruissellement d'au moins 20 m3/seconde, à une vitesse de 40/45 mètres seconde, hors pertes de charges. Cette disposition permet de distribuer l'eau à grande distance vers l'utilisation sans dépense d'énergie de pompage. Ce système est donc entièrement statique, sans aucune pièce en mouvement et représenté de ce fait toutes les qualités de robustesse, de longévité et assure, sans apport d'énergie, un débit moyen d'environ 1,5 millions de m3 par 24 heures. Les écarts de températures entre l'air aspiré et les conditions de condensation nécessite d'avoir une température voisine du point de rosée, voire même légèrement inférieure, l'énergie frigorifique nécessaire sera comprise entre 40 à 60 W au m2 de condenseur avec un léger étagement des températures, de manière à facilite la condensation du maximum 9 2863604 d'air saturé transitant par le col de la tour. L'ordre de grandeur de l'énergie nécessaire à ce changement de phase vapeur/eau s'établit sensiblement à 8W/m3 d'eau condensée. L'incidence sur le coût du prix de revient du m3 d'eau douce produite est quasiment négligeable. Cette énergie nécessaire à la condensation peut-être produite en prélevant une partie de l'énergie de la chute d'eau dans les tuyaux de descente de l'eau condensée au moyen d'un système classique turbine alternateur. Cette disposition rend cette seconde version de l'unité de dessalement entièrement autonome et la quasi-totalité de l'eau évaporée est récupérée dans la tour, ce qui simplifie son environnement. Au-delà de ces éléments d'application et dispositifs essentiels ou encore comme le choix de la zone de construction de la tour aérothermique à vortex pour une mise en exploitations économique viable, dans son concept de fond pour la construction et l'aménagement générale et les techniques décrites selon le document FR 2834508 A reste une bonne approche malgré ses faiblesses sur d'autres points essentiels comme déjà exposés dans le présent document. Également, au-delà du concept la production d'eau douce n'exclut pas une perte de vapeur qui représente un volume non négligeable et indispensable car il est le moteur d'attraction et seule la périphérie du flux d'air saturé se trouvant en contact avec le condenseur, est transformé en eau douce. On assiste donc à un double résultat bénéfique, d'une part une production d'eau douce dont les applications sont nombreuses et vitales, une humidification de l'atmosphère qui, sur le long terme, associée à d'autres interventions au sol, produira un micro- climat qui pourra être l'objet de variation 'non négligeable. Si l'on veut intervenir sur le climat environnant, on peut laisser toute la vapeur s'échapper de la tour aérothermique. Il se formera des nuages très chargés en eau qui selon le régime des vents se transformera en pluie sur la région plus ou moins loin de la tour aérothermique. Cette production de vapeur d'eau additionnelle ou complète selon la vocation de la tour, 25 présente un intérêt considérable dans les zones à faibles pluviométries. L'eau permet l'irrigation et un savant dosage des plans conduit à terme, à un micro climat. La nébulosité 2863604 limitera l'évaporation au sol et même dans certaines circonstances se transformera en pluie. On constate, d'autre part que le gradient de température entre la surface du plan d'eau et le sommet du cyclone artificiel qui peut monter à une altitude d'au moins 5000 mètres, varie en fonction des heures d'ensoleillement et s'accroît de façon très importante pendant la nuit à cause du refroidissement de l'atmosphère et du fait que la température de la mer varie peu la nuit, la puissance d'aspiration du cyclone étant fonction de l'importance de ce gradient, il en résulte que la capacité d'évaporation du cyclone s'accroît de façon importante la nuit, par rapport à la période d'ensoleillement. Du fait de l'importance du gradient de température, notamment la nuit, il est possible de faire fonctionner toute l'année des tours aérothermiques de dessalement de l'eau de mer, même dans des régions tempérées qui manquent d'eau, du fait que la température de la mer varie relativement peu dans ces régions entre l'hiver et l'été. 20 11 2863604 Revendications: 1) Système de dessalement en masse de l'eau de mer, basé in situ, tous types de plans d'eau marine, caractérisé en ce qu'il comporte les éléments suivants: Une tour aérothermique à vortex s'évasant à sa base sur un diamètre au moins égal à sa hauteur et comportant à sa base un ensemble de parois verticales courbes destinées à mettre la masse d'air aspirée au travers d'ouvertures formées entre ces parois, en mouvement rotatif pour amorcer et entretenir en permanence un cyclone se formant à l'intérieur, un voile interne se terminant par une colonne, se prolongeant jusqu'en dessous du col de la tour aérothermique, engendre une zone de dépression ou tuba qui maintient la stabilité et la forme du cyclone à sa sortie de la tour, un système de récupération de l'eau condensée sur sa paroi interne formant un réservoir annulaire; une plate- forme thermique annulaire à effet de serre disposée autour de la base de la tour, le système constituant un générateur de cyclone artificiel à auto-amorçage. 2) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'un au moins des tuyaux de descente de l'eau douce recueillie dans le réservoir annulaire situé en haut de la tour est équipé au niveau du sol, d'une turbine entraînant un alternateur pour fournir de l'énergie électrique sur place. 3) Système de dessalement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tour aérothermique à vortex comporte un dispositif constitué de plusieurs volets amovibles et coulissants sur les flancs de la tour aérothermique afin de stopper le tourbillon.