Brevet FR2998358A1 — publié le 20140523

CHAUDIERES GEOTHERMIQUES PROFONDES Le présent mémoire décrit un moyen de réalisation de chaudières fonctionnant grâce à la chaleur de grandes profondeurs terrestres et susceptibles d'alimenter des centrales électriques thermiques au sol sans l'utilisation intermédiaire de fluides thermodynamiques . Ce dispositif comporte essentiellement une galerie inclinée d'accès au sous-sol d'une profondeur 5 d'au moins 5 km suivie de galeries horizontales à partir desquelles sont réalisés des faisceaux de tubes forés dans la terre chaude et constituant l'échangeur de chaleur . Les équipements connus pour tirer parti de la chaleur des couches profondes du manteau terrestre sont de deux ordres .Ceux qui tirent profit des résurgences naturelles , ne nécessitant que peu d'équipements exceptionnels pour la récupération de l'énergie disponible . 10 On peut citer comme exemple les geysers islandais rendant autonome tout le pays en énergie , ou encore le site italien bien connu de Larderello .Par contre les réalisations artificielles de récupération énergétique des couches profondes sont rares .Le site de Soultz-sous-Forêt en France est une des rares tentatives de récupération ayant nécessité des équipement artificiels Dans ce cas précis , on met a profit l'existence de couches de roches fragmentées à 5000 m de 15 profondeur pour injecter de l'eau froide à un point donné et la récupérer chaude à quelque distance .Par de simples forages , la chaleur peut ainsi être mise à profit en créant une source artificielle d'eau chaude .Les températures sont cependant trop faibles pour une transformation directe en électricité , obligeant à l'emploi de fluides thermodynamiques auxiliaires .Des tentatives pour créer artificiellement des cavités rocheuses fragmentée sont envisagées sur des 20 sites appropriés , mais se heurtent à des risques sismiques dangereux et sont actuellement suspendus. Le nouveau dispositif revendiqué permet au contraire d'extraire la chaleur des couches profondes à des niveaux thermiques suffisants pour transformer la vapeur d'eau recueillie sous une pression suffisante à des fins de production d'électricité par les méthodes traditionnelles . 25 Nous décrivons maintenant en détail, les moyens nouveaux caractérisant la présente demande . L'accès aux couches intéressante du sous-sol, soit vers 10km de profondeur, par exemple où la température atteint généralement les 300°C , est réalisé , comme indiqué fig. 1 , par une galerie souterraine (3) en pente atteignant ces profondeur à partir du sol(1) .Elle est prolongée par une ou plusieurs galeries horizontales destinées au travail de mise en place de 30 tubes de captation constituant l'âme de la chaudière représentée schématiquement en (4) conformément à l'invention et permettant de recueillir la chaleur comme il sera indiqué plus loin Au niveau du sol (1) se situent les équipements (5) contenant les arrivées et départ des fluides ( eau et vapeur) ainsi que les organes de transformation de l'énergie en kwh par exemple . Les galeries sont réalisées avec des dimensions suffisantes pour permettre l'accès aux 5 outils de travail et de forage , par les moyens classiques existants pour ce type de « tunnels ».Elles seront climatisées par tous moyens connus pendant la période nécessaire à l'installation de la chaudière de manière à permettre un travail aussi confortable que possible pour le personnel et assurer le maintien en état des outils de forage et de tous leurs accessoires utiles .Pour l'évacuation des gravats l'utilisation d'un élévateur à benne est recommandé , car il 10 permet d'assurer en plus le transport du personnel et des outils . Il est clair que tous autres moyens connus peuvent être utilisés pour l'ensemble de ces travaux . Les températures du sous sol ont un gradient de l'ordre de 30°C par km , conduisant à environs 300°C à une profondeur de 10km .On peut estimer pouvoir récupérer la chaleur disponible entre 200°C et 300°C pour le calcul de l'énergie potentiellement captable pur la 15 chaudière .Nous calculerons plus loin, les rendements d'extraction réalisables avec une dimension standard , se réservant de donner leur potentialités d'extension. La fig.2 représente en coupe une galerie d'accès (3) et une seule galerie prolongée (4) munie de tubes de captation de chaleur .L'accès (2) se situe schématiquement au niveau du sol (1) à proximité des installations en surface (5) La figure 3 représente l'installation en plan avec 20 la galerie (1) et les tubes de captation schématisés par les lignes (2). Avec une galerie horizontale de1000m et des tubes de captation de 250m dans chaque sens , le volume du sous sol intéressé par les captations correspond à environs 200 millions de mètres cubes soit celui d'un cylindre virtuel de 500m de diamètre et 1000m de long .En admettant une densité moyenne du milieu de 2,2 et une capacité calorifique de 0,25 , un delta t°C de 200°C on arrive 25 tous calculs faits à une potentialité de 12 Gwh .Ce chiffre parait considérable mais on doit naturellement tenir compte de la diffusivité du milieu pour calculer l'énergie et la puissance réellement récupérable . Rappelons que la diffusivité caractérise l'énergie transmise par unité de temps , par degré et par mètre ,lorsqu'un gradient de température se manifeste dans un milieu solide .Avec 100°C de delta t°C ( entre 7 et 10km de profondeur) et un coefficient de 30 diffusivité voisin de 1 , comme il ressort des estimations retenues dans ce cas , la puissance disponible ressort à environs 1000 kw. Pour obtenir des puissances supérieures on peut multiplier le nombre de galeries horizontales , leurs longueurs ou la longueur des tubes , ou les trois . Il est facile de calculer qu'avec trois galeries de 10 km avec des tubes de captation maintenus à 250m, le chiffre précédent devient de l'ordre de 30Gw., soit de l'ordre de grandeur d'une centrale thermique classique . L'originalité de ce système réside dans la confection des tubes .Nous décrivons en détail la constitution de l'un d'entre eux .Un tube cylindrique en acier (1) , prévu pour résister 5 à des pressions de 20 à 25 bars correspondant à ce qui est nécessaire pour de l'eau à 300°C sert d'enceinte de captation de chaleur , à l'intérieur duquel est glissé un tube de dimension plus réduite (2) destiné à introduire l'eau d'alimentation de la chaudière .Le tube (1) est solidement obturé à son extrémité .Leur mise en place se fait par tronçon successifs soudés compte tenu de la section des galeries .Les tubes sont reliés par tous moyens connus aux collecteur de départ w de la vapeur (3) et à celui d'alimentation d'eau (4) .Le tube (2) doit être souple pour permettre sa mise en place contrairement au tube de force (1) dont la mise en place doit être explicitée .Le tube central (1) est avantageusement réalisé dans un matériau plastique résistant à 300° tel que les polymères à base de silicone par exemple Il peut éventuellement être en métal ductile ou tout autre matériau souple résistant à la vapeur d'eau à une température de 300°C. 15 La mise en place des tubes (1) de grandes longueurs constitue la difficulté majeure à surmonter pour la réalisation du système de chaudière selon l'invention .En effet les écartements des galeries imposent des dimensions limitées pour pouvoir mettre en place des longueurs de tubes de centaines de mètres .En outre , il est difficile d'imaginer de combiner forage et mise en place sans modification morphologique des tubes , sans que cela soit exclu 20 dans le cadre de l'invention Il est donc nécessaire de pratiquer les forages aux diamètres souhaités , soit ceux de l'extérieur des tubes .Le raboutage , indispensable pour les tubes eux-mêmes , oblige à des manoeuvres similaires pour les organes de percement .Ce pendant , ces technologies étant courantes dans l'industrie pétrolière , les tubes de captation pourrons être glissés en place dans les logements forés .Les tubes souples d'amenée d'eau ne posent par 25 contre aucun problème particulier . Combien de tubes faut-il installer pour une puissance donnée ? La réponse découle du rapport entre la surface totale extérieure des tubes et le volume d'eau à transformer en vapeur . Pour 1000kwh par exemple la quantité d'eau est de l'ordre de 2.000 kg .Dans les chaudières traditionnelles ou les tubes baignent dans un fluide chaud, on admet , au minimum 20kg par 30 mètre carré de surface ,ce qui nécessiterait 100 m2 .Pour des tubes captant les calories dans un milieu terrestre plus ou moins connu , il est difficile de calculer avec certitude la surface nécessaire .En supposant un rapport de 1 à 1000 entre ces deux types de conduction (solides et gaz), on arrive 0,1kg par m2 .Or un tube de 50/60 a une circonférence de 20 cm , soit une surface de 0,20 m2 par mètre de longueur. Pour 250m , on arrive à 50 m2 .Pour 2000kg on obtient dans ce cas 40 unités .Sur une longueur de galerie de 1000m , on est amené à un tube tout les 25m , avantageusement positionnés avec un décalage angulaire de 60° , de manière à intéresser le plus logiquement possible le volume de matière .On reste conforme à l'invention en décalant les forages de manière à obtenir une symétrie complète des implantations .Par exemple , la figure 5 représente en plan et coupe un élément de galerie (1)muni de tubes de type (3) positionnes par 4 en décalage angulaire comme schématisés en (4) . Tout ceci est calculé sur la base sur des températures moyennes du milieu intéressé par la captation de chaleur maintenues vers 200°C par suite de l'effet de captation des calories par 10 le fluide entrant et l'énergie utile pour sa vaporisation .Si 1' on désire opérer vers 200° de température ,conduisant à une pression voisine de 20 bars , la régulation doit se faire en asservissant température ou pression au débit de l'alimentation en eau .La puissance constatée dans des conditions définies conduit alors à la puissance de la chaudière .11 faut être conscient que , contrairement à une chaudière traditionnelle , le choix des débits est conditionné par la 15 diffiisivité du milieu , sans modification possible en cours de vaporisation .Cette servitude doit être acceptée . Nous donnons ci-après quelques exemples de réalisation selon l'invention Exemple I. On creuse une galerie d'accès au sous sol d'une section de 10m sur 10m et d'une 20 longueur de 50 km, inclinée à 30° qui aboutit à une zone ou la température avoisinant 300°C. Elle est prolongée par une galerie horizontale de même section d'une longueur de 5 km .On perce par forage 40 logements de 60mm de diamètre en les décalant successivement de 60°C pour loger 40 tubes en acier de 50/60 , longs de 250m chacun , relies par un collecteur isolé aboutissant par la galerie inclinée dans le local de transformation . Les tubes sont obturés par 25 soudure à leur extrémité comme indiqué Fig. 4 .Un tube en résine à base de silicone de 250m de long , d'un diamètre de 10 mm , est glissé dans chaque tube acier . Il est raccordé de manière étanche à un collecteur d'amenée d'eau .Une pression de vapeur de l'ordre de 20 bars peut s'établir en régime permanent , l'arrivée d'eau étant commandée par la température de la vapeur générée, soit 215`C La puissance disponible s'établit autour de 5Mw. 30 Exemple 2 On opère comme dans l'exemple précédent , mais on prolonge la galerie d'accès par trois galeries décalées à 120°C l'une de l'autre , ce qui permet le triplement des équipements de captation et conduit par conséquent à une puissance disponible de 15 Mw , c'est-à-dire dans l'ordre de grandeur des centrales thermiques conventionnelles .En admettant un rendement habituel pour la transformation de la vapeur à 20 bars en kwh , la puissance disponible s'établit vers 12 Mw . Exemple 3 On opère comme dans les exemples précédents mais on utilise pour constituer le tube intérieur de l'aluminium , du laiton ou du cuivre . Le seul inconvénient par rapport aux matières plastiques provient de la plus grande conductivité des métaux , engendrant des échanges thermiques entre eau et vapeur ,et influant sur les pressions de vapeur obtenues. Exemple 4 On opère comme dans un des exemples précédents , mais on construit des tubes ayant la particularité de posséder une résistance suffisante pour servir à la fois de tubes de forage et de captation ,simplifiant de ce fait leur mise en place . Conformément à notre description et aux exemples cités , les valeurs indiquées ne peuvent qu'être approximatives vu l'incertitude concernant plusieurs données dépendantes de 15 la nature et des propriétés de la couche du manteau terrestre rencontrée . Une meilleure précision est obtenue par carottage préalable du sous sol et examen des caractéristiques des échantillons de terre à la profondeur souhaitée . D'une manière générale on reste conforme à l'invention en modifiant certains facteurs tels le diamètre des tubes acier ou la nature des tubes intérieurs dès lors que l'on respecte les 20 caractéristiques des matériaux . L'intérêt économique du procédé selon l'invention est de grande importance .La récupération de l'énergie thermique disponible dans le manteau terrestre conduit à une solution crédible pour la substitution des productions à base de combustibles fossiles . Les réserves du sous-sol sont inépuisables à l'échelle humaine et 1' impact de leur utilisation est sans influence 25 sur l'environnement .Sa généralisation est possible sur une quantité innombrable de sites que les géologues peuvent aider à préciser. Notons que les réalisations sont particulièrement recommandées dans les sous-sols montagneux ou les gradients de températures sont plus favorables comme le démontrent certaines réalisations de récupération de l'air chaud de quelques tunnels Alpins , pourtant en moyenne altitude , sont encourageants en matière de 30 diffusivité . REVENDICATIONS1. Procédé géothermique pour la valorisation énergétique du sous-sol , caractérisé en ce que l'on construit une chaudière souterraine par l'implantation de centaines de tubes d'un diamètre d'au mois 50mm et de longueurs d'au moins 250m obturés à leur extrémité pour la captation de la chaleur contenue dans le manteau terrestre à des profondeurs entre 5 km et 15 km et de préférence vers 10km accessibles par une galerie inclinée creusée depuis la surface du sol , prolongée par une ou plusieurs galeries de longueur variable en prolongement horizontal ,lesquels tubes en acier contenant des tubes d'amenée d'eau constitués d'une matière souple résistant à des températures voisines de 300°C , l'ensemble des tubes étant reliés à des collecteurs aboutissant au niveau du sol où sont implantés les organes de collecte , de stockage et de transformation , les dimensions étant calculées par les moyens existants pour obtenir les puissances souhaitées . 2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel on procède pour la mise en place des tubes de captation au percement préalable au diamètre extérieur des tubes par des procédés de forages de type pétrolier . 3. Procédé selon 1. et 2. dans lequel les tubes échangeurs sont constitués comme des tubes de forage particuliers réalisés de manière à pouvoir être directement introduits dans le milieu économisant le percement préalable par forage. 4. Procédé selon 1 , 2. ou 3 dans lequel la galerie inclinée d'accès au sous-sol ainsi que leurs prolongements sont maintenus par climatisation à des températures compatibles avec le travail 20 effectué par la présence humaine et le maintien technique des outils . 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes seule ou en combinaison entre elles dans lequel on accède par la galerie inclinée grâce à un système de type élévateur à benne équipé de façon à permettre à la fois l'évacuation des gravats de percement et l'accès au personnel et aux outils et tous éléments nécessaires pour la mise en place de la chaudière. 25 30