Brevet FR2985289A1 — publié le 20130705

PROCEDE DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR DU MOUVEMENT DES MAREES ET INSTALLATION MAREMOTRICE La présente invention concerne en premier lieu un procédé de production d'énergie électrique, et plus particulièrement un tel procédé utilisant une machine électrique tournante entraînée par une turbine unidirectionnelle actionnée par le mouvement des marées. On connaît des installations marémotrices construites sur une côte maritime et comprenant un barrage fermant une anfractuosité de cette côte. C'est par exemple le cas de l'installation construite à l'embouchure de l'estuaire de la Rance, en France, où des turbines de type "bulbe" sont installées dans des conduites traversant le barrage. Ces turbines ont des pales orientables de sorte qu'elles tournent dans un sens ou dans l'autre suivant la direction du flux qui les entraîne, à marée montante ou à marée descendante. Les inconvénients de cette technologie sont liés au fait que ces turbines sont complexes, en raison des éléments mobiles notamment, et coûteuses à fabriquer et à maintenir en état. On connaît également des turbines unidirectionnelles, y compris dans des applications à des installations marémotrices. Une turbine unidirectionnelle est une turbine dont le sens de rotation est le même quel que soit la direction du flux qui la traverse. C'est ainsi que le document US 4,222,700 décrit une turbine unidirectionnelle possédant des aubes à section en chevron et prévoit son application à une installation marémotrice. D'autres types de turbines unidirectionnelles ont été proposés, essentiellement dans des applications éoliennes où il importe que les turbines (les "hélices" dans ce cas), ici à axe vertical, tournent dans le même sens quel que soit la direction du vent. Il est toutefois difficile dans une application marémotrice utilisant ce type de turbine de les faire fonctionner dans des conditions nominales optimales, compte tenu que le différentiel de pression entre l'amont et l'aval de la turbine varie en fonction de l'évolution de la marée. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, l'invention a pour but de fournir un procédé 5 de production d'énergie électrique et une installation marémotrice permettant de réduire les coûts de fabrication et de maintenance de cette installation par rapport aux installations connues. L'invention a également pour but de fournir une installation marémotrice dans laquelle la turbine fonctionne la plupart du temps dans 10 des conditions optimales, quelle que soit la phase de la marée que l'on considère. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de production d'énergie électrique à l'aide d'une machine électrique tournante entraînée par une turbine unidirectionnelle actionnée par le 15 mouvement des marées, ce procédé comprenant les étapes consistant à : réaliser un réservoir susceptible de se remplir à marée montante et de se vider à marée descendante ; ménager à proximité du fond du réservoir, au moins une conduite entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir en vue du remplissage du 20 réservoir à marée montante et de la vidange du réservoir à marée descendante ; placer une turbine unidirectionnelle dans ladite conduite pour entraîner une machine électrique tournante lors du remplissage et de la vidange du réservoir; et en utilisation : 25 fermer ladite conduite sensiblement à marée basse jusqu'à ce que la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir atteigne une première valeur prédéterminée (négative) ; ouvrir alors ladite conduite pour permettre le remplissage du réservoir et l'entraînement de la machine électrique tournante par 30 l'intermédiaire de la turbine unidirectionnelle, sensiblement jusqu'à marée haute ; fermer ladite conduite sensiblement à marée haute jusqu'à ce que la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir atteigne une deuxième valeur prédéterminée (positive) ; ouvrir alors ladite conduite pour permettre la vidange du réservoir et l'entraînement de la machine électrique tournante par l'intermédiaire de la turbine unidirectionnelle, sensiblement jusqu'à marée basse. On peut ainsi utiliser une turbine à aubes fixes, notamment une telle turbine dont les aubes sont à section en chevron. Il en résulte une réduction des coûts de fabrication et de maintenance de la turbine. En fermant temporairement la conduite pendant les phases de marée faiblement montantes ou faiblement descendantes, et en mettant en conséquence à l'arrêt la turbine et la machine électrique tournante, on évite de faire tourner cet ensemble à de très faibles vitesses et avec de très mauvais rendements. Dans un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé de l'invention, ledit réservoir est réalisé en fermant par un barrage une anfractuosité d'une côte maritime, telle qu'une anse ou un estuaire de fleuve, et ladite conduite est formée dans l'épaisseur dudit barrage. Le barrage peut par exemple être construit entre les extrémités d'une anse ou en travers de l'embouchure d'un estuaire. Cette construction s'effectue en ménageant une ou plusieurs conduites traversant le voile du barrage, dans laquelle est placée la turbine unidirectionnelle. A marée montante, la partie de la conduite située entre l'extrémité extérieure de la conduite (côté mer) et la turbine forme le canal d'amené de l'eau, et la partie de la conduite située entre la turbine et l'extrémité intérieure de la conduite (côté anfractuosité de la côte) forme le canal de décharge de l'eau. La situation est inversée à marée descendante. Dans un deuxième mode de mise en oeuvre particulier du procédé de l'invention, ledit réservoir est réalisé en construisant un bassin ayant un fond et des parois, le fond étant sensiblement au niveau de la marée basse et les parois s'élevant sensiblement au niveau de la marée haute, et ladite conduite est formée dans le fond ou une paroi du bassin. Egalement dans un mode de réalisation particulier, la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir est maintenue sensiblement constante à ladite première (respectivement deuxième) valeur prédéterminée durant le remplissage (respectivement la vidange) 5 du réservoir, à l'exception de la fin de la phase de remplissage (respectivement la phase de vidange) où les niveaux tendent à s'égaliser. Ainsi, les caractéristiques de la turbine peuvent être choisies de manière à être optimales pour le différentiel de pression amont/aval correspondant à la différence de niveau d'eau. La turbine fonctionne 10 donc à son régime nominal pendant l'essentiel du cycle de marée. L'invention a également pour objet une installation marémotrice comprenant une turbine unidirectionnelle et une machine électrique tournante entraînée par ladite turbine unidirectionnelle, ladite turbine unidirectionnelle étant actionnée par le mouvement des marées, cette 15 installation comprenant en outre : un réservoir susceptible de se remplir à marée montante et de se vider à marée descendante ; au moins une conduite entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir en vue du remplissage du réservoir à marée montante et de la vidange du 20 réservoir à marée descendante ; ladite turbine unidirectionnelle étant placée dans ladite conduite pour entraîner la machine électrique tournante lors du remplissage et de la vidange du réservoir ; et des moyens pour fermer ou ouvrir ladite conduite. 25 Dans un premier mode de réalisation particulier de l'installation marémotrice de l'invention, ledit réservoir est formé d'une anfractuosité naturelle d'une côte maritime, telle qu'une anse ou l'estuaire d'un fleuve, et d'un barrage fermant ladite anfractuosité, ladite conduite étant formée dans l'épaisseur dudit barrage. 30 Plus particulièrement, ladite conduite peut présenter en coupe axiale une forme sensiblement en S, débouchant sensiblement horizontalement à l'intérieur et à l'extérieur du réservoir, ladite turbine unidirectionnelle étant disposée dans la partie médiane de la conduite avec son axe sensiblement vertical. Dans un deuxième mode de réalisation particulier de l'installation marémotrice de l'invention, ledit réservoir est formé d'un bassin ayant un fond et des parois, ladite conduite étant formée dans le fond ou une paroi du bassin. Plus particulièrement, ledit réservoir peut présenter une forme d'entonnoir, ladite turbine unidirectionnelle étant placée au fond dudit entonnoir avec son axe sensiblement vertical. Egalement dans un mode de réalisation particulier de l'installation marémotrice de l'invention, les moyens pour fermer ou ouvrir ladite conduite peuvent comprendre un clapet et des moyens de commande et d'actionnement de l'ouverture et de la fermeture dudit clapet. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, deux modes 15 de réalisation de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : - les figures 1 à 7 illustrent de manière schématique les phases successives d'un procédé selon l'invention, - la figure 8 est une vue schématique en perspective d'une turbine 20 pouvant être utilisée dans la mise en oeuvre du procédé des figures 1 à 7, - la figure 9 est un plan de masse en coupe du barrage d'une installation marémotrice selon l'invention, - la figure 10 est une vue à plus grande échelle du détail X de la figure 25 9, et - la figure 11 illustre de manière schématique un autre mode de réalisation de l'invention en coupe selon un plan vertical. Si l'on se réfère aux figures 1 à 7, on voit un barrage 1 constitué d'un mur vertical 2, posé sur un radier 3 et soutenu de part et d'autre par 30 des contreforts 4. Le barrage 1 est par exemple construit entre les deux rives d'un estuaire (non représenté). Le barrage 1 délimite, avec les parties des berges de l'estuaire situées en amont du barrage, un réservoir de retenue 5. En aval du barrage se trouve donc la mer dont le niveau oscille en fonction des marées entre un niveau de marée haute 6 et un niveau de marée basse 7. Il ne sera pas tenu compte ici des coefficients de marée, sans incidence sur la description qui suit. On se réfèrera maintenant plus particulièrement aux figures 9 et 10. On appellera ci-après l'intérieur du réservoir 5 le côté amont du barrage 1, et son extérieur le côté mer. Lors de la construction du barrage 1, des conduites 10 sont ménagées dans le mur 2 du barrage 1 entre les contreforts 4, 10 longitudinalement selon la longueur du barrage. Ces conduites 10 traversent le mur 2 pour relier l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5. Une conduite 10 présente en coupe axiale une forme 11 sensiblement en S (figure 1), et débouche à ses extrémités à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du réservoir 5 avec son axe horizontal. Une 15 inclinaison de l'axe de la conduite 10 avec l'horizontale à ses débouchés est néanmoins envisageable dans un but d'optimisation de l'écoulement de l'eau. Dans sa partie médiane, l'axe de la conduite 10 est vertical, et une turbine unidirectionnelle 15 est installée en cet emplacement sur des 20 supports non représentés, avec son axe vertical. La turbine unidirectionnelle 15 est ici composée d'un rotor 16 et de deux distributeurs 17 (un seul étant représenté à la figure 8), disposés de part et d'autre du rotor. Il est à noter que par souci de simplification, les distributeurs de la turbine 15 n'ont pas été représentés sur les figures 1 à 25 7, la turbine ayant été illustrée sur ces figures par la représentation schématique du rotor seul. Le rotor de la turbine 15 est composé d'un moyeu 20 (figure 8) sur lequel sont fixées des aubes 21 à section en chevron. Chaque distributeur 17 comporte des aubes 22 orientées pour diriger le flux liquide dans la 30 direction convenable pour actionner les aubes 21 de manière optimale quel que soit le sens d'écoulement de l'eau. De telles turbines unidirectionnelles, tournant dans le même sens quelle que soit la direction du flux qui l'entraîne, sont connues dans l'état de la technique, et celle-ci ne sera donc pas décrite plus en détail. Un alternateur 30 est accouplé à l'axe 31 de la turbine 15 (figure 9) de manière à fournir de l'électricité lorsque la turbine 15 est entraînée par le flux d'eau. Le système peut être réversible, de manière que la turbine 15 fonctionne en pompe lorsqu'elle est entraînée par la machine 30 alimentée en moteur électrique. L'installation selon l'invention comprend en outre un clapet destiné à fermer ou ouvrir la conduite 10. Pour une meilleure compréhension des dessins, ce clapet est représenté aux figures à la fois dans sa position fermée avec la référence 40 et dans sa position ouverte avec la référence 40'. Le clapet 40 est ici constitué par un panneau généralement plan monté pivotant autour d'un axe horizontal 41 sur une chape 42 (figure 10). La chape 42 est installée de toute manière convenable sur l'extérieur du mur 2 du barrage 1. Ainsi, le clapet 40 peut ici s'ouvrir vers l'extérieur du réservoir 5. Des moyens 43 de commande et d'actionnement de l'ouverture et de la fermeture du clapet 40 sont prévus pour assurer les mouvements du clapet 40. La commande peut être manuelle, ou asservie à des prévisions d'éphéméride des marées, ou asservie à des mesures de pression ou autres. La figure 11 décrit un autre mode de réalisation d'une installation marémotrice selon l'invention. Les éléments correspondants à ceux des figures précédemment décrites ont reçu la même référence. Il est à noter que par souci de simplification, les distributeurs de la turbine 15 n'ont pas été représentés sur la figure 11, la turbine 15 ayant été illustrée sur cette figure de manière figurative. Ici, le réservoir 5 est formé d'un bassin délimité par une construction en maçonnerie 50 réalisée de préférence à proximité du rivage d'une mer ou d'un océan bien entendu doté de marées, et installée sur le sol 51 par des supports non représentés, en mer ou à terre. Le bassin possède un fond 52 et des parois latérales 53. Ce bassin possède, dans le mode de réalisation représenté, une forme d'entonnoir. Le bord supérieur 54 des parois latérales 53 de la maçonnerie 50 est ici légèrement plus haut que le niveau 6 de la marée haute et son fond 52 est sensiblement au niveau 7 de la marée basse. Le fond de la maçonnerie 50 est ouvert pour former la conduite 11 dans laquelle la turbine 15 telle que décrite ci-dessus avec ses distributeurs (non représentés sur la figure 11) est disposée avec son axe vertical, ainsi que le clapet 40 (40'). La turbine unidirectionnelle 15 est comme précédemment accouplée à un alternateur 30 par l'intermédiaire d'un arbre 31. La partie de la conduite 11 extérieure au bassin est reliée à la mer. On reviendra maintenant aux figures 1 à 7 pour décrire la commande et le fonctionnement de l'installation marémotrice qui vient d'être décrite en référence à ces dites figures. Il ira de soi pour l'homme 15 de métier que la commande et le fonctionnement de l'installation marémotrice de la figure 11 sont équivalents. Les figures 1 à 4 illustrent le remplissage du réservoir 5 et les figures 5 à 7 illustrent sa vidange. La figure 1 représente l'installation à marée basse et en début de 20 marée montante (phase I). Le clapet 40 est fermé. Le niveau du réservoir 5 est alors celui de la marée basse 7 (marée de 0 mètre). La marée est montante. La phase I débute à to. Cette phase s'étend jusqu'à ce que la marée atteigne un niveau 100 tel que sa différence de niveau avec celui du réservoir, c'est-à-dire entre 25 l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5, atteigne la première valeur prédéterminée h1, par exemple 1,70 mètre, phase qui peut par exemple durer 1 heure (fin de la phase I à to + 1 heure). Aucun flux ne circule durant cette phase dans la conduite 11 et l'équipage mobile 15, 30 reste fixe. La première valeur prédéterminée hl est alors négative du fait que 30 le niveau à l'intérieur du réservoir est inférieur à celui de l'extérieur. Le clapet 40 est alors ouvert (position 40') et l'installation entre en phase II de fonctionnement (régime nominal). La figure 2 représente cette phase II de fonctionnement, par exemple à to + 1,5 heure, avec un niveau de marée 101 égal par exemple à 2,50 mètres. Durant cette phase, un flux circule dans la conduite 11 de l'extérieur à l'intérieur du réservoir conformément aux flèches F 1 et la turbine entraîne l'alternateur. Les caractéristiques de l'installation, notamment le débit de la ou des turbines, ont été déterminées par l'homme de métier, compte tenu de l'amenée éventuelle d'eau par le fleuve alimentant l'estuaire, de manière que la différence de niveau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5 demeure constante, égale à h1. La figure 3 montre l'installation dans la même phase II que celle de la figure 2, avec un niveau de marée 105 égal par exemple à 5 mètres à to + 3 heures. Le régime nominal demeure avec une différence de niveau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5 égale à h1 et le flux se poursuit selon les flèches Fl. Ce régime nominal cesse (entrée en phase III lorsque la différence de niveau h entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5 devient inférieure à h1 du fait que la marée devient peu à peu étale haute et que les niveaux intérieur et extérieur s'égalisent peu à peu (figure 4). Le clapet reste néanmoins ouvert (position 40') pour laisser les niveaux s'égaliser et le flux se poursuit selon les flèches F 1 avec un débit diminuant. Le clapet est fermé (position 40) à marée haute (to + 6 heures) alors que la différence de niveau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir 5 devient nulle. L'installation entre alors en régime de marée descendante. Les différentes phases se reproduisent sensiblement à l'identique en inversant les niveaux intérieur et extérieur. La deuxième valeur prédéterminée h2 est maintenant positive du fait que le niveau à l'intérieur du réservoir est supérieur à celui de l'extérieur. Elle n'est d'ailleurs pas nécessairement égale en valeur absolue à h1 pour tenir compte d'éventuelles circonstances particulières à l'installation. La figure 5 est l'équivalente à marée descendante de la figure 1, la figure 6 est l'équivalente de la figure 2, et la figure 7 est l'équivalente de la figure 4. Les flèches F2 indiquent des flux en sens inverse des flèches Fl. Les phases de temps mort, c'est-à-dire la phase I à marée montante, par exemple comprise entre to et to + 1 heure comme indiqué plus haut à titre d'exemple, et la phase correspondante inverse à marée descendante, durant lesquelles aucun flux ne circule dans la conduite 11 et ne traverse donc la turbine 15, peuvent être compensées par une production d'électricité fournie par une ou plusieurs installations complémentaires comme décrites ci-dessous. Une installation complémentaire (non représentée) comprend par exemple un ou plusieurs réservoirs de gaz comprimé, notamment de l'air, qui sont remplis par un ou plusieurs compresseurs d'air. Le ou les compresseurs d'air sont entraînés en rotation au moyen d'un ou plusieurs moteurs électriques dont l'alimentation électrique est avantageusement fournie par l'alternateur 30 accouplé à la turbine 15, pendant la phase II à marée montante, et la phase correspondante inverse à marée descendante. Il est possible de concevoir que 20 % par exemple de la production d'électricité par l'alternateur 30 durant cette phase II et correspondante inverse soit affectée à la production d'air comprimé comme énergie relais. Cet air comprimé contenu dans le ou les réservoirs d'air comprimé alimentera un ou plusieurs moteurs à air comprimé durant la phase I et la phase correspondante inverse, pour faire tourner un plusieurs autres alternateurs reliés aux moteurs à air comprimé qui sont alimentés par le ou les réservoirs, en l'absence de flux traversant la turbine 15, et assurer ainsi une continuité de production d'électricité pour le réseau électrique alimenté par l'installation marémotrice décrite. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'énergie électrique à l'aide d'une machine électrique tournante entraînée par une turbine unidirectionnelle actionnée par le mouvement des marées, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à : - réaliser un réservoir (5 ; 50) susceptible de se remplir à marée montante et de se vider à marée descendante ; - ménager à proximité du fond du réservoir, au moins une conduite (10) entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir en vue du remplissage du réservoir à marée montante et de la vidange du réservoir à marée descendante ; - placer une turbine unidirectionnelle (15) dans ladite conduite pour entraîner une machine électrique tournante (30) lors du remplissage et de la vidange du réservoir; et en utilisation - fermer ladite conduite sensiblement à marée basse jusqu'à ce que la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir atteigne une première valeur prédéterminée (h1) (négative) ; - ouvrir alors ladite conduite pour permettre le remplissage du réservoir et l'entraînement de la machine électrique tournante par l'intermédiaire de la turbine unidirectionnelle, sensiblement jusqu'à marée haute ; - fermer ladite conduite sensiblement à marée haute jusqu'à ce que la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir atteigne une deuxième valeur prédéterminée (h2) (positive) ; - ouvrir alors ladite conduite pour permettre la vidange du réservoir et l'entraînement de la machine électrique tournante par l'intermédiaire de la turbine unidirectionnelle, sensiblement jusqu'à marée basse. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit réservoir est réalisé en fermant par un barrage (1) une anfractuosité (5) d'une côte maritime, telle qu'une anse ou un estuaire de fleuve, et ladite conduite est formée dans l'épaisseur dudit barrage. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit réservoir est réalisé en construisant un bassin (50) ayant un fond (52) et des parois (53), le fond étant sensiblement au niveau de la marée basse et les parois s'élevant sensiblement au niveau de la marée haute, et ladite conduite est formée dans le fond ou une paroi du bassin. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la différence de niveau d'eau entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir est maintenue sensiblement constante à ladite première (respectivement deuxième) valeur prédéterminée durant le remplissage (respectivement la vidange) du réservoir, à l'exception de la fin de la phase de remplissage (respectivement la phase de vidange) où les niveaux tendent à s'égaliser. 5. Installation marémotrice comprenant une turbine unidirectionnelle et une machine électrique tournante entraînée par ladite turbine unidirectionnelle, ladite turbine unidirectionnelle étant actionnée par le mouvement des marées, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre: - un réservoir (5 ; 50) susceptible de se remplir à marée montante et de se vider à marée descendante ; - au moins une conduite (10) entre l'intérieur et l'extérieur du réservoir en vue du remplissage du réservoir à marée montante et de la vidange du réservoir à marée descendante ;- ladite turbine unidirectionnelle (15) étant placée dans ladite conduite pour entraîner la machine électrique tournante (30) lors du remplissage et de la vidange du réservoir ; et - des moyens (40, 43) pour fermer ou ouvrir ladite conduite. 5 6. Installation marémotrice selon la revendication 5, dans laquelle ledit réservoir est formé d'une anfractuosité naturelle (5) d'une côte maritime, telle qu'une anse ou l'estuaire d'un fleuve, et d'un barrage (1) fermant ladite anfractuosité, ladite conduite étant formée dans 10 l'épaisseur dudit barrage. 7. Installation marémotrice selon la revendication 6, dans laquelle ladite conduite présente en coupe axiale une forme (11) sensiblement en S, débouchant sensiblement horizontalement à l'intérieur et à l'extérieur 15 du réservoir, ladite turbine unidirectionnelle étant disposée dans la partie médiane de la conduite avec son axe sensiblement vertical. 8. Installation marémotrice selon la revendication 5, dans laquelle ledit réservoir est formé d'un bassin (50) ayant un fond et des parois, 20 ladite conduite étant formée dans le fond ou une paroi du bassin. 9. Installation marémotrice selon la revendication 8, dans laquelle ledit réservoir présente une forme d'entonnoir, ladite turbine unidirectionnelle étant placée au fond dudit entonnoir avec son axe 25 sensiblement vertical. 10. Installation marémotrice selon l'une des revendications 5 à 9, dans laquelle les moyens pour fermer ou ouvrir ladite conduitecomprennent un clapet (40) et des moyens (43) de commande et d'actionnement de l'ouverture et de la fermeture dudit clapet. 11. Installation marémotrice selon l'une des revendications 5 à 10, dans laquelle ladite turbine unidirectionnelle est une turbine à pales fixes (21). 12. Installation marémotrice selon l'une des revendications 5 à 11, dans laquelle ladite turbine unidirectionnelle est une turbine dont les aubes sont à section en chevron.