Brevet FR2977011A1 — publié le 20121228

Le Brevet Echangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération. Généralités I - Champs techniques La présente invention d'échangeur de chaleur en forme d'anneau est un procédé par lequel se réalise un transfert thermique par convection, ce qui signifie une différence de température entre deux milieux, un fluide qui est l'eau de mer et un flux 10 thermique issu d'un corps solide, une roche encaissante. L'échangeur de chaleur en forme d'anneau, pour son procédé de fonctionnement et sa capacité d'interaction, est installé et aménagé à partir de travaux de gros oeuvres préliminaires effectués dans la roche encaissante des sous sols de moyenne ou haute enthalpie, voire de basse enthalpie, si les conditions géothermiques et les flux 15 thermiques le permettent. Pour sa fonction, l'énergie utilisée est la géothermie, qui est une ressource naturelle énergétique primaire, planétaire, abondante et inépuisable sur terre. Aussi, l'invention par son procédé d'utilisation se rapporte par ses fonctions aux méthodes de dessalement de l'eau de mer et des eaux usées par distillation ou évaporation. 20 Pour la présente invention, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, par sa forme et son procédé thermique, permet d'optimaliser le vecteur convectif de transfert de chaleur d'un corps chaud vers un corps plus froid. Pour cela, l'énergie renouvelable géothermique utilisée ici tient un rôle important dans la fonction de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, afin que l'eau de mer en circulation dans l'échangeur soit dessalée in fine une fois remontée à la surface pour être vaporisée à l'atmosphère. Il est nécessaire dans le document de fournir quelques données sur ce type d'énergie renouvelable pour son potentiel énergétique. Pour l'invention, l'échangeur en forme d'anneau proposé et l'énergie géothermique en tant que vecteur énergétique sont étroitement lié. En utilisant cette source énergétique, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau a la particularité de permettre à cette forme d'énergie de se substituer à l'utilisation des énergies fossiles utilisées aujourd'hui pour les méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées. En effet, durant les prochaines décennies, les besoins d'accès à l'eau potable et les besoins énergétiques mondiaux vont irrémédiablement croître et depuis longtemps, l'eau et l'énergie sont étroitement liées. Face aux besoins légitimes, les énergies fossiles, qui se tarissent et chargent l'atmosphère en dioxyde de carbone, ne peuvent plus être la réponse universelle. Il est donc important de trouver de nouvelles ressources énergétiques de préférence non polluantes et renouvelables. La géothermie des roches chaudes fracturées a le potentiel nécessaire pour constituer des réponses à ces défis planétaires. Nous vivons sur un stock d'énergie pratiquement indéfini. A partir des gradients géothermiques et des flux géothermiques de haute enthalpie, 1 km3 de roches refroidi de seulement 20°C libère autant d'énergie thermique que la combustion de 1 275 000 tonnes de pétrole. Pour capter cette chaleur, il faut un fluide caloporteur, l'eau par exemple et ici, en ce qui nous concerne, l'eau de mer. L'échangeur de chaleur proposé ici selon l'invention est le capteur de cette chaleur. Adapté aux systèmes actuels de dessalement de l'eau de mer, pour des capacités de production d'eau dessalée importante, le brevet proposé utilise l'énergie géothermique dans son procédé. Elle permet ainsi de produire sans autre frais que ceux de l'investissement et de fonctionnement de l'eau douce en abondance avec des prix de production d'eau dessalée très bas. II - Champs d'applications Les champs d'applications du brevet s'adressent aux systèmes actuels de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées en vue de produire d'une part de l'eau douce, et d'autre part grâce au procédé de cogénération qui peut en être issue, produire de l'énergie sous forme d'électricité à des coûts de production également très bas, inférieur au prix du marché actuel dans les meilleures conditions. Pour le brevet, parmi les 27 procédés différents de dessalement recensés, classés en trois grandes familles que sont les procédés par changement de phase, les procédés de perméation, sélective à travers une membrane, et les procédés chimiques, nous retenons en fait dans le cadre des applications de l'invention les procédés, qui équipent actuellement la quasi totalité des installations en service. Ces procédés sont par évaporation ou distillation, que sont essentiellement les techniques de Multi Effect Distillation (MED) ou Multi Stage Flash (MSF), ou alors les procédés de séparation par membranes semi perméables, tel que l'Osmose Inverse (Reverse Osmosis, RO), technique de dessalement plus récente. Les particularités communes de ces différents systèmes de dessalement dans leurs 4 fonctionnements sont qu'elles sont plus ou moins très énergivores en énergies fossiles non renouvelables, que sont le pétrole ou le gaz, ainsi de fait que cette consommation d'énergie peut aller du simple au double et voire plus selon les cas. Par conséquence, elles sont aussi onéreuses financièrement dans leurs fonctionnements. Ainsi, pour quantifier et mesurer ces consommations d'énergies et les exprimer en Unité de puissance, le Watt (W) est particulièrement utilisé en matière de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées, aussi les kW/h et les m3 sont très liés par les technologies en usage, quantités allant en moyenne pour un mètre cube produit d'eau dessalée de 5,7 à 7,5 kW/h/m3 pour les méthodes MED, de 15 à 18 kW/h/m3, voire 25 kW/h/m3, pour les méthodes MSF, mais de 3,5 à 5 kW/h/m3 pour les méthodes RO, sachant que 1 tonne équivalent pétrole (1 tep) = 11 628 kW/h. Ces mesures sont aussi généralement exprimées et quantifiées selon le type d'unité d'énergétique utilisée, quelle soit exprimée en unité d'énergie/travail : le Joule (J) ou en unité de chaleur : la calorie (Cal), [voir la fiche 3 unités de mesure et équivalences annexée dans le document]. Pour subvenir à des besoins importants en eau dans le monde, les usines de dessalement de l'eau de mer construites aujourd'hui sont de capacités de production de plus en plus importante, des méga usines allant de 500 000 m3/jour à 1 000 000 m3/jour et voire certainement plus demain, sachant qu'aujourd'hui pour des raisons de contraintes techniques, elles utilisent des solutions de production mixtes MSF et RO ou MED et RO. A partir de ces quelques données, il est très facile de comprendre que les quantités d'énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une usine de dessalement pour la production d'eau dessalée impliquent des coûts financiers importants de fonctionnement et cela explique aussi en partie, pourquoi ce type de technologie d'accès à l'eau potable n'est pas à ce jour facilement abordable à bons nombres de pays ou certaines zones géographiques terrestres souffrant de pénurie d'eau ou de stress hydrique pour leurs populations. Avec l'utilisation de l'énergie géothermique, l'échangeur de chaleur en forme 5 d'anneau permet ainsi la substitution des énergies fossiles utilisées aujourd'hui et ceci en les réservant et/ou en les destinant selon leurs particularités à d'autres secteurs économiques. Le présent brevet selon son concept permet ainsi par résultante de faire des économies de maintenance par la simplicité de son système de fonctionnement, de rejeter la saumure avec une eau non chauffée dans son cycle de production d'eau dessalée, mais dans une eau à la température des courants marins présents, et enfin d'éviter les rejets de CO2 ou émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Descriptif de l'invention Pour ses applications, le brevet proposé est simple dans son esprit, sûr dans son principe, modulable dans son fonctionnement et efficace par sa localisation en profondeur in situ, principalement dans la moyenne ou la haute enthalpie. Pour les travaux de gros oeuvres concernant l'installation, l'aménagement et son positionnement dans la roche encaissante l'échangeur de chaleur en forme d'anneau bénéficie de l'expression, de l'art et des techniques des pétroliers dans les domaines de forage, mais également des savoirs faires des maîtres d'oeuvres dans les travaux de génie civil dans les secteurs en particulier de percement de tunnels ou de souterrains comme aussi du savoir faire des travaux d'extractions à l'intérieur de mines de natures diverses. Avec la source énergétique de fonctionnement utilisée pour l'invention, la géothermie, cette forme d'énergie renouvelable, déjà en usage et éprouvée depuis des décennies avec succès dans deux filières essentielles, l'une électrique et l'autre thermique, démontre ainsi que ses capacités en tant que vecteur énergétique dans le cadre de l'invention ne sont plus à démontrer. Par l'invention, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et son procédé, une troisième filière est ouverte, celle du dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées par transfert direct de chaleur d'un flux géothermique local à un fluide, ici l'eau de mer, et non par le biais de la production d'énergie électrique géothermique pour ensuite pouvoir dessaler l'eau de mer comme d'autres formes de procédés de dessalement. L'échangeur de chaleur en forme d'anneau proposé ici dans ses applications permet d'obtenir des coûts de production plus bas, comparativement au marché actuel en fonction des capacités de production réalisables avec des grandeurs d'échelles comparables. Sur ces bases, le prix de l'eau douce produite, hormis le coût de l'investissement, les frais d'entretien, de maintenance et d'exploitation sera bas et le restera, malgré les conjonctures sur les stocks et les prix des énergies fossiles, montré dans le tableau comparatif entre les différents procédés de dessalement industriel annexé dans le document. L'invention est décrite ci-après aux regards des dessins, tableaux et fiches de calculs annexées. La figure 1 : Donne une vue d'ensemble du principe énoncé de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau (a) qui selon sa longueur (L), déterminée en fonction de la capacité de production d'eau dessalée, se positionne à partir du tunnel creusé dans la roche encaissante (b). La couronne ou l'espace de circulation (c) de l'eau de mer se situe entre la paroi de la roche encaissante creusée et la partie externe de l'échangeur de chaleur. La paroi de séparation (d) dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau permet l'écoulement de l'eau dans les deux sens de circulation et se réchauffe dans la couronne de circulation. La figure 2 : Donne une vue schématique partielle du tunnel de descente pour l'acheminement (e) de l'eau de mer à l'échangeur de chaleur. Percé dans la roche encaissante (fl, le tunnel est équipé des tuyaux (g) d'aller, d'alimentation de l'eau de mer, jusqu'à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau (h) et de retour de l'eau de mer chaude jusqu'à la surface pour vaporisation dans l'unité de dessalement adaptée au présent procédé de dessalement par distillation [pour rappel technique, voir les figures 8 et 9 des procédés MSF ou MED] pour passer à l'eau douce et évacuer la saumure. La figure montre également la position d'un réservoir tampon (i) entre les tuyaux de descente et de remontée de l'eau de mer chaude et l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. La figure 3 : Montre également selon l'invention une représentation partielle de modèle simplifié d'échangeur de chaleur en forme d'anneau et son positionnement face au régime thermique local d'une roche encaissante, principalement en moyenne ou haute enthalpie. Le diamètre et la longueur (L) de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau seront variables en fonction de la conjugaison des facteurs et paramètres de gradient et de flux géothermique local, mais aussi des capacités de production d'eau dessalée. La mesure de diamètre donnée ici à titre indicatif dans le schéma correspond à un échangeur de chaleur incluant des capacités de production importante d'eau dessalée. La figure 4 : Montre en coupe partielle l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, ici un modèle d'échangeur de chaleur unique pour le transfert de chaleur de la roche encaissante à l'eau en circulation dans la couronne ou l'espace de circulation (j) de l'eau de mer, la couronne étant positionnée entre la roche encaissante et la paroi de l'échangeur de chaleur. La paroi de séparation (k) pour la circulation de l'eau se réchauffe dans la couronne d'aller et de retour de l'eau. Le chemin de passage et de circulation pour la maintenance et les accès aux trappes de maintenance est signalé par (1). La figure 5 : Montre en coupe transversale partielle l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. La figure montre la couronne (m) ou l'espace de circulation de l'eau entre la roche encaissante et la paroi de l'échangeur de chaleur. La figure montre également le réservoir tampon d'extrémité de l'échangeur de chaleur (n). La figure 6 : Montre en coupe un modèle double et partiel d'échangeurs de chaleur en forme d'anneau, ici un modèle de deux échangeurs de chaleur, un aller et un retour pour le transfert de chaleur de la roche encaissante à l'eau en circulation dans la couronne (o) ou les espaces de circulation de l'eau de mer. Les chemins de passage de circulation pour la maintenance et les accès aux trappes de maintenance sont signalés par (p). La figure 7 : Montre en coupe transversale partielle les échangeurs de chaleur double en forme d'anneau. La figure montre les couronnes (q) ou les espaces de circulation de l'eau entre la roche encaissante et la paroi des échangeurs de chaleur avec un réservoir tampon d'extrémité unissant les échangeurs de chaleur en forme d'anneau positionnés en parallèles dans la roche encaissante. La figure 8 : A pour but uniquement de montrer et pour mémoire un schéma technique de procédé de dessalement de l'eau de mer par distillation de Multi Stage 20 Flash (MSF). L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention, qui est alimenté par énergie géothermique, se substitut à la centrale thermique utilisée actuellement et alimentée en énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une unité MSF. La figure 9 : A pour but uniquement de montrer et pour mémoire un schéma 25 technique de procédé de dessalement de l'eau de mer par distillation de Multi Effect Distillation (MED). L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention, qui 9 est alimenté par énergie géothermique, se substitut au centrale thermique utilisée actuellement et alimentée en énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une unité MED. La figure 10 : Fiche d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Le graphique montre des exemples où la distance horizontale est déduite d'une température centrale donnée. Les figures 11 & 12 : Fiches de données d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Le graphique de la figure 11 montre la température au centre du tube en fonction de sa longueur pour différents débits imposés. Les courbes montrent les différentes températures de la roche encaissante. Le point encerclé dans la figure du bas est décrit dans le texte. Le graphique de la figure 12, qui se réfère à la solution de M.A Lévêque, montre les lois de la transmission de la chaleur par convection (Ann. Mines Mem. Serv., 13, 201-209, 305-362, 381-415, 1928.) et peut également s'illustrer en reportant de façon similaire la température de sortie en fonction de la longueur de la conduite, mais en faisant varier cette fois-ci le débit, et ce pour des températures de paroi données. Le tableau comparatif annexé dans le document permet de montrer selon les rubriques les différences et les avantages entre les systèmes de dessalement de l'eau de mer utilisant les énergies fossiles pour leurs fonctionnements et le procédé utilisant l'énergie géothermique à partir de la présente invention d'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Dans le tableau comparatif, le procédé de dessalement de l'eau de mer utilisant le procédé de la présente invention est dénommée O'DEEP. La fiche 1 : fiche de calculs annexée dans le document montre la faisabilité technique du procédé, en particulier la possibilité de faire remonter l'eau de mer chaude en s'assurant qu'elle ne perd qu'une faible partie de sa température de manière à répondre au procédé posé. Les fiches 2 et 2a : annexées dans le document montrent des graphiques d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon le débit de production d'eau dessalée. La fiche 3 : annexée dans le document montre les principales unités de mesure utilisées dans les calculs de consommation énergétique dans les domaines industrielles du dessalement de l'eau de mer et de calculs géologiques de gradient ou de flux géothermique. Principe technique et fonctionnement : Pour son application de fonctionnement et pour transférer la chaleur de la roche encaissante à l'eau de mer, l'échangeur de chaleur utilise essentiellement, nous l'avons vu, la géothermie de moyenne ou haute enthalpie selon les gradients de température. Emmagasiné dans la lithosphère, l'énergie géothermique offre une grande quantité d'énergie constituant un potentiel énergétique accessible sous certaines conditions, et son flux thermique est exprimé en W/m, voir la fiche 1 de calculs et des équivalences annexée dans le document. Chaque site est caractérisé par son gradient de température exprimé en °C/km. L'exploitation des mines a notamment mis en évidence le fait que la température augmente progressivement avec la profondeur : les zones non thermiques qui ont des gradients de température s'échelonnant de 10 à 40°C/km, les zones semi-thermiques s'élevant jusqu'à 70°C/km et les zones hyperthermiques qui représentent des gradients de température plusieurs fois supérieurs. Selon l'invention, l'échangeur de chaleur en forme couronne est formé par un tube 25 séparé en deux demi lunes [figure 1, 4 et 5], cette forme sera le plus souvent 10 11 préconisée pour permettre la circulation du fluide, l'eau de mer, d'un coté en sens aller et de l'autre côté en sens retour pour vaporisation en surface. Toutefois, selon les particularités des paramètres géothermiques sur site, il sera amené à ce que l'échangeur de température soit constitué de deux échangeurs de chaleur en forme d'anneau positionnés et installés en parallèle dans la roche encaissante. Un échangeur de chaleur avec sa couronne de circulation du fluide l'eau de mer en sens aller et un second échangeur de chaleur avec sa couronne de circulation du fluide l'eau de mer en sens retour [figure 6 et 7]. L'échangeur de chaleur a la forme d'un tube, avec un diamètre variable selon la quantité d'eau de mer à dessaler et une longueur (L) [figure 3 du modèle simplifié] qui sera définie par les calculs fournis à partir des indications géologiques et des paramètres géothermiques lors des études de faisabilités in situ. Pour un meilleur rendement thermique et élément caloporteur, l'échangeur de chaleur est constitué en matériaux composites, comme peuvent l'être les résines polyester ou vinylester avec des liners thermoplastiques résistants à de fortes différences de températures positives allant au delà de 200°C, soit bien supérieur aux températures géothermiques qui sont nécessaires dans la cadre de l'invention. Pour l'application du procédé d'échangeur de chaleur qui nous concerne ici, l'eau de mer devant atteindre une température d'environ 115/120°C pour être vaporisée à l'atmosphère. Il sera toujours possible que la température de vaporisation évolue en fonction de la pression atmosphérique naturelle ou technique impliquée. L'utilisation de matériaux composites pour l'échangeur de chaleur permet des polyvalences d'utilisation parfaitement maîtrisées aujourd'hui par les gens de l'art. L'échangeur de chaleur est préfabriqué par élément et assemblé sur site dans le tunnel de positionnement de l'échangeur de chaleur. Préalablement, pour permettre l'acheminement de l'eau de mer en importante Quantité jusqu'à l'échangeur de chaleur et de circuler dans la couronne entre la roche Encaissante et l'échangeur de chaleur, un tunnel [figure 2] sera percé par le moyen d'un tunnelier équipé selon le type de roche, sur une pente d'environ 30° jusqu'à la profondeur du gradient géothermique nécessaire à l'application. Le tunnel est aménagé et équipé de tuyaux résistants à la corrosion, ainsi qu'en pompes et en vannes en nombres nécessaires pour l'acheminement de l'eau de mer, selon les capacités de production d'eau à dessaler. Le tunnel aménagé en fonction des quantités d'eau à dessaler permet à l'eau de mer de descendre jusqu'à l'échangeur de chaleur et ensuite de remonter à la surface pour être vaporisée dans l'unité de dessalement de l'eau de mer. L'échangeur de chaleur est équipé à chacune des extrémités d'un réservoir tampon pour le transfert de l'eau de mer entre les tuyaux de descente et de remontée du fluide et l'échangeur de chaleur [figure 5 et 7]. L'invention, échangeur de chaleur en forme d'anneau, est une conduite en couronne [figure 1] avec un diamètre externe variant selon la capacité d'eau de mer à dessaler, pouvant aller de 6 mètres à 10 mètres et une diamètre interne de (10-2d) m, d variant entre 0,15 et 0,10 m [figure 3]. De l'air remplit la partie interne de la conduite de l'échangeur de chaleur. La géométrie et la largeur de la couronne de circulation de l'eau de mer sont calculées afin que l'écoulement de l'eau de mer dans le milieu environnant évite des turbulences thermiques où des processus de transfert de chaleur interagissent, tel que les phénomènes : -De Prandtl , le nombre de Prandtl correspond au rapport établit entre la diffusion de la chaleur dépendante et des propriétés spécifiques du fluide. -De Reynolds, qui exprime les interactions entre les propriétés du fluide et sa vitesse de circulation. Le nombre de Reynolds décrit le rapport des forces inertes sur les forces visqueuses. -De Peclet, qui est le produit des nombres de Prandtl et de Reynolds, et correspond au rapport entre la chaleur advectée (transportée par mouvement) et la chaleur diffusée. -Enfin le nombre d'Eckert, qui est le rapport de l'énergie cinétique sur l'énergie interne. L'eau de mer est injectée à 20°C à une vitesse donnée jusqu'à l'échangeur de chaleur à la profondeur de circulation, qui est déduite du régime thermique local. Les échanges thermiques se produisent alors entre l'eau de mer et la roche encaissante, jusqu'à ce qu'après une circulation de longueur (L) la température de 120°C soit atteinte. L'eau de mer ainsi réchauffée est alors récupérée en surface dans la phase liquide, sans aucun échange de chaleur supplémentaire. Les chemins verticaux de l'échangeur de chaleur sont adiabatiques. Le régime thermique local est contrôlé par la température de surface et le flux de chaleur crustal profond (voir fiche de calcul dans le document). Les propriétés thermiques de la roche et de l'eau de mer, de même que la vitesse du fluide, caractérisent les processus de transfert de chaleur entre la roche et l'eau qui circule. A la profondeur de circulation, c'est-à-dire à profondeur fixée pour l'application fonctionnelle de l'échangeur de chaleur selon l'invention, et avant que la circulation commence, la température de la roche est logiquement constante. L'eau de mer est injectée à un débit volumique constant selon les capacités d'eau à dessaler. Les conditions de pression sont telles que la vaporisation est évitée au sein de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Le transfert de chaleur ou le contact thermique de la roche encaissante à l'eau de mer 25 circulant dans la couronne se produit entre la roche et la surface externe de l'échangeur de chaleur qui est parfaitement isolante par l'emploi de matériaux 14 composites. En résumé, le brevet d'échangeur de chaleur en forme d'anneau proposé est simple dans son esprit, dans son principe et il est modulable dans son fonctionnement. Pour exprimer pleinement son fonctionnement, l'échangeur de chaleur est installé et positionné directement dans la roche encaissante en moyenne ou haute enthalpie par des travaux d'aménagement comme décrit auparavant dans le document. Dans sa fonction, en utilisant directement les ressources énergétiques du flux géothermique in situ, c'est-à-dire par le transfert de chaleur par convection d'un corps chaud vers un corps plus froid qui est l'eau de mer acheminée jusqu'à l'échangeur de chaleur selon son procédé. Pour ses pleines fonctions de mouvement convectif de chaleur, l'eau de mer est acheminée jusqu'à la zone de convection thermique de l'échangeur de chaleur. Le transfert de chaleur par convection est plus rapide et plus important que par d'autres formes de transfert de chaleur comme la conduction ou le rayonnement. Pour utiliser l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et pour permettre de dessaler l'eau de mer, la chaleur du sous-sol exploitable et le potentiel de chaleur accumulé sont considérables, 99% du volume de la planète ont une température supérieure à 1000°C (source :BRGM). Enfin l'énergie géothermique, soit la chaleur du sous sol de la Terre, qui provient de la désintégration d'isotopes comme l'uranium, le thorium et le potassium, représente «50.000 fois l'énergie de toutes les réserves de gaz et de pétrole» (données : Earth Policy Institute). Par son procédé, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau en utilisant l'énergie géothermique et étant associé aux méthodes de dessalement permettrait d'obtenir des coûts de production encore plus bas qu'à ce jour, de pouvoir substituer les énergies fossiles utilisées aujourd'hui et ainsi de les réserver à d'autres secteurs économiques à valeurs ajoutées, de pouvoir faire des économies de maintenance par de nouveaux systèmes de fonctionnement moins contraignants, de rejeter la saumure dans une eau non chaude à la mer et de répondre comment participer technologiquement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. 10 15 20 25 Tableau comparatif entre les différents procédés de dessalement industriels et O'DEEP. Rubrique Distillation Osmose inverse O'DEEP MSF - MED RO Coût des investissements en USD par m3/jour selon la MSF1200-2500 800 - 2000 Méga1000-1500 capacité de production d'eau dessalée. MED1000-2000 1500 - 2000 Type d'énergie Thermique Electrique Géothermique Gaz - Pétrole Prix de revient en USD du m3/jour selon la capacité de 1,00 - 1,50 0,50 - 0,80 0,10 - 0,25 production d'eau dessalée. 2,00 - 3,00 voire moins pour méga usines + 1 000 000m3/ J Durée de vie d'une usine en années. 20 - 25 20 - 25 35 - 40 Capacité de production en m3/jour d'eau dessalée. Oui Oui Non de : 10 000 à 200 000 Oui Oui / hybride Oui de : 200 000 à 800 000 Non, prix de Oui / hybride Oui de : 800 000 à 1 000 000 et plus. revient cher (*) voire ci- dessous Coût de production de la partie énergétique de fonctionnment Coût important Coût important Gratuite des usines de dessalement : énergie fossile ou électrique sur 20 - 25 ans sur 20 - 25 ans sur 35 - 40 ans ou géothermique. selon prévisions Cogénération Oui Oui Oui Production d'électricité à partir de la cogénération en centaines Importante Importante Importante à ou milliers de mégawatts (MW) : 100 - 1 000 et plus. très importante Cogénération : type de turbine pour la production Gaz - vapeur Gaz Vapeur d'énergie électrique. Maintenance d'usine de dessalement de l'eau de mer pendant Importante Importante Faible la durée de production. Interventions techniques rencontrés en dessalement : entartrage, Opérations Opérations Opérations fouling, biofouling, colmatage, corrosion pendant la durée périodiques périodiques périodiques de production. Maintenance, renouvellement important des membranes de Non Oui Non filtration pendant la durée de production d'eau déssalée. Prétraitement selon la concentration de sel en gramme par litre d'eau de mer en ppm. Consommation d'énergie par m3 pour la production d'eau dessalée 3,5 - 5 Kg 1 Kg Energie exemple : si l'énergie fossile est du fioul. géothermique gratuite Production, destination et ultilisation d'eau dessalée en fonction Non Oui mais Oui de son prix de revient par m3/jour. Pour l'agriculture - l'élevage - exceptionnelle l'industrie. Emission de CO2 dans l'atmosphère pendant le cycle Oui Oui Non, mais vente de production d'eau dessalée. Taxe carbone. de quotas CO2 (*) mais coût important pour la partie distillation. Tableau comparatif 17 Fiche 1 de calculs de faisabilité Chaleur latente nécessaire de vaporisation de l'eau de mer : L'échangeur de chaleur en forme d'anneau en utilisant l'énergie géothermique permet de se substituer aux énergies fossiles. Elle varie avec la température, comme l'indique le tableau ci-dessous. Température en °C 60°C 75°C 100°C 125°C Chaleur latente de vaporisation 2 357 2 319 2 257 2 185 en KJ/Kg (kcal/kg) (563) (554) (539) (522) La chaleur spécifique de l'eau de mer est inférieur de quelques pour cent de celle de l'eau pure, et ceci d'autant plus que la concentration de sel est élevée. Evaluation de température : Formule de calcul d'évaluation de température d'une ressource géothermique. En surface, la température de la Terre est étroitement liée à celle de l'air environnant. Les variations climatiques n'ont plus d'incidences au-delà de quelques mètres. L'évaluation de la température d'une ressource géothermique en fonction de la profondeur, se calcule selon la formule suivante : Tp = Ts + Gr x P Tp : Température en °C à une profondeur donnée Ts : Température moyenne du sol en surface en surface (selon la zone géographique, exemple en France de l'ordre de 10 -12 °C) Gr : Gradient de température en °C/km P : Profondeur en kilomètre Le flux géothermique est exprimé en W/m. La nature des roches contenues dans les formations géologiques et notamment leur conductivité thermique peut faire varier le flux de chaleur résultant. Pour le granite, la conductivité thermique varie de 2,5 à 3,8 W/m/°K. Tableau d'équivalence ci après. (P L3) . Méthode de calcul de la ressource géothermale disponible : La ressource géothermale est définie, comme étant la part de la ressource accessible qui peut être extraite écologiquement et également à un moment spécifique dans le futur (Muffler et Cataldi, 1978). Afin de qualifier cette ressource, nous devons définir la quantité de chaleur disponible dans la roche constituant le réservoir géothermique et les caractéristiques de ce réservoir en termes d'extraction de la chaleur (Atlas of Geothermal Resources, travaux de Muffler et Cataldi, 1978). L'estimation de la ressource géothermale est basée sue la chaleur contenue dans un volume de réservoir poreux dont l'énergie géothermale est supposée être exploitée par doublet. Le potentiel géothermique calculé représente une valeur théorique, c'est-à-dire la valeur maximale d'énergie disponible dans le sous-sol. Il s'agit d'une valeur initiale qui sert de base pour toutes les autres estimations sur le potentiel du sous-sol (potentiel technique, potentiel économique). L'énergie ou la chaleur contenue dans un réservoir dépend essentiellement de sa température et de son volume, c'est-à-dire de l'épaisseur du réservoir. Cette énergie correspond à la chaleur extraite du réservoir. Cette énergie Q est donnée comme ci-dessous dans le tableau d'exemple avec les paramètres détaillés de calcul de la quantité de chaleur contenue dans un volume de roche de type grès. Q=p Cp V (Ti - Tf) en joule Paramètres Description Unité Valeur P Densité de la roche Kg/m3 2 200 Cp Capacité calorifique J/Kg.K 710 V Volume (surface x épaisseur) m3 Variable Ti Température initiale de la roche encaissante °C Variable Tf Température finale ou température en surface °C 10 Les grandeurs p et CP sont dépendantes de la nature de la roche et peuvent varier régionalement avec la profondeur. Table d'équivalences Vhn W = Watt -- mW = milli Watt - µW = micro Watt itW/m2 W/m2 mW/m2 µW/cm2 V/ m µW/m2 W../m2 MW/OU µW/cm2 V / m 10 000 000 10 10,000 1,000 61,400 9 000 0,009 9 0,9. 1,842 9 000 000 9 9.000: .900 58,249 8 000 .0,008 8 0,8.. 1,737 8 000 000 8 8..000 800 54,918 7 000 0,007 7 0,7 1,624 7 000 000 7 7,000 700 51,371 6 000 0,006 6 0,6 1,504 6 000 000 6 6,000 : 600 47,560 5 000 0,005; 5 0,5 1,373 000 000 5 5,000 500 43,417 4 000 0,004.. 4 0,4 1,228 4 000 000 4 4,000 .400 38,833 3 000 0,003 3 0,3 1,063 3 000 000 3 3,000 ': 300 33,630 2 000 0,002 2 ' 0,2 , 0,868 2 000 000 2 :.2.000. 200 27,459 1 000 0,001 1 0,1 0,614.. 1 000 000 1 1.000: " 100 19,416 900 0,0009 0,9 `. 0,09 0,582 900 000 0,9 900 90 18,420 800 _0,0008 0,8 .0,08. 0,549 800 000 0,8 800 80 17,367 700 0,0007 0,7 0,07 0,514. 700 000 0,7 700: 70 16,245 600 0,0006 0,6 , 0,06. 0,476 600 000 0,6 600 ,: 60 15,040 500 0,0005: 0,5 0,05 0,434 500 000 0,5 500. 50 13,730 400 0,0004,. 0,4 0,04 0,388'' 400 000 0,4 400,` 40 12,280 300 0,0003 0,3 0,03.:: 0,336. 300 000 0,3 300 30 10,635 200 0,0002 0,2 .0,02 0,275 200 000 0,2 200 20 8,683 100 0,0001 0,1 0,01 0,194' 100 000 0,1 100 10 6,140 90 `..0,00009 0,09 0,009 0,184 90 000 0,09 90 9 5,825 80 `0,00008 0,08 0,008 0,174 80 000 0,08 80 8 5,492 70 0,00007 0,07 0,007 0,162. 70 000 .0,07 70 7 5,137 60 0,00006 0,06 0,006 0,150 60 000 .0,06 60 6 4,756 50 0,00005 0,05 0,005 0,137' 50 000 0,05 50 5 4,342 40 ..0,00004 0,04 0,004 0,123 40 000 0,04 40 4 3,883 30 0,00003 0,03 0,003 0,106. 30 000 0,03. 30 3 3,363 20 0,00002.. 0,02 0,002 " 0,087 20 000 0,02 20 2 2,746 10 0,00001.. 0,01 0,001. 0,061 000 0,01 10 i 1,942 Fiche 2 applications à l'échangeur de chaleur. Les résultats similaires à ceux montrés en figurel0 sont mis à l'échelle en fonction de la production d'eau dessalée. La Figure 10 ci dessous montre une série de courbes pour 3 débits (1) différents, et pour un rayon de tube de 0.075m. Le débit modifie le nombre de Peclet puisqu'à un débit est associé une vitesse. Pour un débit donné, la température à la profondeur d'emplacement de la conduite a été variée. La température est dimensionalisée en utilisant les conditions thermiques, à savoir T=0 à l'entrée de la conduite, et T=Twau à la paroi : T(°C)=T0 + (Twall - TO) X T* = 20 + (Twau - 20) X T* (14) où T * correspond à la température. Il n'y a pas de perte de chaleur en dehors l'échangeur de chaleur et la roche encaissante n'est pas refroidie par l'eau de mer en circulation. La figure 10 : Montre des exemples où la distance horizontale est déduite d'une température centrale donnée. Par exemple, le cercle bleu correspond au point (x*/Pe = 0.03; Tcentre = 0.70), c'est-à-dire que l'écart entre la température au centre du tube et la température d'injection atteint 0.7 fois l'écart entre la température de la paroi et la température d'injection (ou plus exactement le rapport de l'équation 11 vaut 0.7) à la distance : x = R. x*, soit x = R . Pe .0.03 = 0.03. 0.075. 5 105 = 1125 m. Fiche 2a graphiques selon le débit de production d'eau dessalée. Légende des figures 11 et 12 Par exemple, si le débit est de 10 puissance 6 m3/jour (figure du bas, courbes de droite), si la température à la profondeur d'emplacement est de 140°C (courbe bleu ciel), alors il faut 9 km de conduite cylindrique pour retrouver 120°C en sortie (cercle noir). Pour un débit de 200,000 m3/jour, des conditions similaires nécessiteraient uniquement 1800 m de conduite cylindrique. Puisque ces courbes sont réalisées pour une conduite cylindrique, en appliquant un facteur 2 de correction géométrique pour une conduite annulaire, cela donnerait 18 km et 3.6 km pour les estimations précédentes. 22 Fiche 3 unités de mesure et équivalences Unités de puissance : Le Watt, de symbole (W) est l'unité internationale de puissance, de flux énergétique et de flux thermique. Un watt est la puissance d'un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est transférée uniformément pendant 1 seconde. Le Wattheure (Wh) est l'unité d'énergie ou de travail, équivalent au travail pendant une heure par une machine dont la puissance est de 1 kilowatt (1 000 W). Mais dans d'autres situations, on préfère utiliser en particulier le joule soit le travail fourni par une puissance d' l Watt pendant 1 seconde. 1 kW/h est égal à 3,6 mégajoules (MJ). 1 Watt heure = 1 W/h 1 000 Watt heure = 1 kilowatt heure = 1 kW/h 1 000 000 Watt heure = 1 mégawatt heure = 1 MW/h = 1 000 kW/h 1 000 000 000 Watt heure = 1 gigawatt heure = 1 GW/h = 1 000 MW/h 1 000 000 000 000 Watt heure = 1 térawatt heure = 1 TW/h = 1000 GW/h 1 watt (W) = 1 joule/seconde 1 watt heure (W/h) = 3 600 J 1 kilowatt heure (kW/h) = 3,6 X 10 puissance 6 J 1 mégawatt heure (MW/h) = 3,6 X 10 puissance 9 J = 3,6 gigajoules 1 mégajoule (MJ) = 10 puissance 6 J 1 gigajoule (GJ) = 10 puissance 9 J 1 térajoule (TJ) = 10 puissance 12 J 1 pétajoule = 10 puissance 15 J 1 exajoule = 10 puissance 18 J 1 erg = 10 puissance - 7 J Unité d'énergie : Le joule, de symbole (J) est l'unité de travail, d'énergie et de quantité de chaleur, équivalent au travail produit par une force de 1 Newton (de symbole (N) le newton est la force qui communique à un corps ayant une masse de 1 kg une accélération de l n/seconde) dont le point d'application se déplace de 1 mètre dans la direction de la force. 1 kilojoule (kJ) = 1 000 J (10 puissance 3 J) 1 mégajoule (MJ) = 1 000 kJ (10 puissance 6 J) 1 gigajoule (GJ) = 1 000 MJ (10 puissance 9 J) 1 térajoule (TJ) = 1 000 GJ (10 puissance 12 J) 1 pétajoule (PJ) = 1 000 TJ (10 puissance 15 J) 1 exajoule (EJ) = 1 000 PJ (10 puissance 18 J) 1 MJ = 0,278 kW/h L'unité officielle d'énergie est le joule (J) mais, parce que le pétrole est l'énergie dominante, les énergéticiens utilisent la tonne d'équivalent pétrole (tep) ou quelque fois la tonne d'équivalent charbon (tec). Les coefficients d'équivalences permettent conventionnellement de comparer dans une unité commune (tep : tonne équivalent pétrole), des quantités d'énergie de natures diverses. Tonne équivalent pétrole (tep) 1 tep = 11,628 kWh 1 baril de pétrole (bbl) = 159 litres = 136 kg Baril équivalent pétrole (bep) 1 tep = 7,3 bep 1 kWh 100 g d'essence ou gasoil 1 tep 1 000 m3 de gaz naturel Gaz naturel =1e m3 ou la BTU (British Thermal Unit = 1 055,06 J) Unité thermique : La calorie de symbole (cal) est l'unité de quantité de chaleur, équivalent à la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1 gramme d'eau. 1 cal = 4,187 joules. 1 tonne équivalent pétrole (tep) = 10 034 Mcal ou 41,87 GJ ou encore 11,628 MW/h Autre équivalences : 1 tonne équivalent charbon (Tec) = 7 000 Mca1= 29 GJ 1 GTep = 1 milliard de tonnes équivalent pétrole Capacité: US gallon (US gal) = 3,785 litres Imperial gallon (UK gal) = 4,546 litres US barrel petroleum (US bbl) = 158,987 litres = 42 US gallons REVENDICATIONS1 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afm de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération est caractérisé en ce qu'il comporte les éléments et les vecteurs de conception suivants : L'échangeur de chaleur en forme d'anneau pour ses fonctions se présente selon les paramètres de disponibilité de flux de gradient géothermique in situ dans la roche encaissante de moyenne ou haute enthalpie, soit sous la forme : 1)- d'un tube séparé en deux demi lunes pour un échangeur de chaleur en forme d'anneau simple tube de circulation de fluide l'eau de mer. 2)- ou par deux tubes parallèles pour un échangeur de chaleur en forme d'anneau double tube de circulation de fluide l'eau de mer. Les deux modèles proposés selon les options techniques déterminées à partir des paramètres de gradient géothermique in situ ont la même fonctionnalité de procédé. Ils permettent la circulation du fluide l'eau de mer dans la couronne ainsi formée entre la face externe de l'échangeur de chaleur concerné et la paroi de la roche encaissante découverte après le percement d'un tunnel d'acheminement de l'eau de mer pour y être réchauffée. 2- L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé dans sa forme par une dimension atteignant plusieurs mètres de diamètre et d'une longueur variable qui peut dépasser le kilomètre, selon les données et les paramètres, fournis à partir des calculs de capacités de production d'eau à dessaler possibles et souhaitées, ainsi que des facteurs thermiques de flux de gradient géothermique. 3 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé par une conduite en couronne permettant la circulation et la canalisation du fluide, l'eau de mer, pendant sa phase de réchauffement par convection lors de son passage dans la couronne de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et du réservoir tampon. 4 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 3 est caractérisé du fait de sa fonction et de sa forme, en utilisant directement les ressources énergétiques d'un flux géothermique de sous-sol en moyenne ou haute enthalpie, c'est-à dire par le transfert de chaleur par convection d'un corps chaud vers un corps plus froid qui est ici l'eau de mer. 5 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé par le fait que son procédé de fonctionnement utilise l'énergie géothermique en lieu et place des énergies fossiles telles que le gaz ou le pétrole. 6 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon les revendications 1, 2 et 3 du fait de sa fonction de procédé technique est équipé d'un réservoir tampon à chaque extrémité selon le modèle de l'échangeur, que ce soit sous forme d'un tube unique ou double. Un réservoir tampon avant, est placé entre les tuyaux de descente et de remontée de l'eau de mer chaude et l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Un autre réservoir tampon au bout de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau ne sert uniquement qu'à faciliter l'écoulement de l'eau de mer réchauffée dans les deux sens de circulation dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. 18 7 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon les revendications 1, 2, 3 et 4 comme mentionné dans le texte, positionné dans la roche encaissante, est alimenté du fluide salé par des tuyaux de sections différentes entre les tuyauteries de descente en eau de mer à température de l'eau prélevée en surface ou en profondeur selon et les tuyauteries de remontés de l'eau de mer réchauffée après circulation dans la couronne de l'échangeur en forme d'anneau. A partir de là, l'eau de mer chaude est vaporisée à l'atmosphère. La vitesse de circulation de l'eau de mer en descente jusqu'à l'échangeur est inférieure à la vitesse de l'eau de mer chaude lorsque qu'elle remonte, ainsi elle peut emmagasiner des calories dans sa phase de descente et en opposition en perdre le moins possible à la remontée après passage dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Les tuyaux de remonté de l'eau de mer chaude pour vaporisation en surface seront conçus en matériaux calorifères. L'énergie géothermique pour fonctionnement selon l'invention permet d'obtenir des coûts de production de dessalement de l'eau de mer et/ou des eaux usées inférieurs que ceux affichés ce jour selon les techniques actuelles, ceci même pour les moins énergivores. Aujourd'hui les coûts de production d'eau dessalée et les prix de l'énergie sont étroitement liés, quelque soit les méthodes par distillation ou osmose inverse. L'énergie géothermique utilisée pour l'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention permet de gommer ces effets de prix.20