Brevet FR3014506A1 — publié le 20150612

Le domaine technique de la présente invention concerne un système d'accumulation d'un fluide sous pression constante, comprenant des circuits hydrauliques et pneumatiques d'utilisations diverses, et en particulier pour des installations en mer, ou côtières, de production d'hydrocarbures, de production d'énergie, ou encore plus spécifiquement de forage. Les accumulateurs hydropneumatiques sont des capacités à deux compartiments, l'un rempli d'une quantité fixe de gaz sous pression et l'autre d'un volume variable de liquide incompressible, la somme des deux volumes étant fixe. En général, la séparation entre le gaz et le liquide est réalisée par une membrane déformable ou par un piston mobile, ce qui permet d'éviter le mélange, l'entrainement ou la dissolution d'une phase par l'autre. Selon leur volume et la fréquence de variation du volume liquide, ils sont utilisés comme accumulateurs temporaires d'énergie mécanique ou comme amortisseurs de pulsations dans des circuits hydrauliques divers. Les performances de ces équipements sont limitées, non seulement par le volume du gaz qui induit une variation de pression non négligeable lors du cycle 20 compression - détente, mais aussi par les implications thermiques se traduisant en général par une perte d'énergie. Un moyen d'amélioration de ces performances est d'augmenter fortement le volume du gaz et de réduire au minimum la variation du volume de liquide, de manière à minimiser la variation de pression et donc les effets 25 thermodynamiques. Mais on atteint rapidement d'autres limites, par exemple le coût, l'encombrement et le poids du contenant d'un important volume de gaz sous pression, sans parler des contraintes de sécurité induites. Il y a donc des possibilités de perfectionnements pour améliorer les 30 technologies, et les mises en oeuvre, permettant au moins les même fonctions que les systèmes de l'art antérieur. Ainsi, la présente invention concerne un système d'accumulation d'un liquide sous pression P comportant au moins un premier réservoir Rs dans lequel des moyens de séparation aménagent deux chambres restant en équipression et dont une des chambres contient un premier fluide de masse volumique choisie. Le 5 système comporte au moins un second réservoir Rf plongé dans un second fluide soumis à une pression constante, ledit second réservoir comportant également deux chambres en équipression, dont l'une est en communication avec ledit second fluide et l'autre est en communication par une conduite avec ladite chambre contenant ledit premier fluide dont la masse volumique est choisie 10 inférieure à la masse volumique dudit second fluide. Ledit second fluide peut être un liquide à la pression hydrostatique. Ledit second réservoir peut être plongé à une profondeur z dans la mer, un lac, ou équivalent. Ledit liquide sous pression peut être stocké dans l'autre chambre du 15 premier réservoir, à la pression du fluide compressible contenu dans le réservoir Rs. On peut ajuster la pression P en fonction de la profondeur z dudit second réservoir. Lesdits moyens de séparation peuvent être : un piston ou une membrane 20 déformable. Ledit premier réservoir et ledit second réservoir peuvent être constitués par une pluralité de réservoirs en parallèle. L'invention concerne également une application du système pour le stockage d'énergie sous forme d'un liquide sous pression P dans ledit premier 25 réservoir en surface. Également, l'énergie peut être utilisée pour pomper le liquide sous pression dans ledit premier réservoir, et une turbine peut être utilisée pour récupérer une partie de l'énergie par la détente du liquide sous pression. L'invention peut être appliquée pour maintenir une pression sensiblement 30 constante dans des vérins hydrauliques d'un compensateur de pilonnement. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 décrit un accumulateur hydropneumatique à pression constante avec 5 ballast immergé, - la figure 2 décrit un accumulateur hydropneumatique à pression constante avec chambre à vide, - la figure 3 illustre le stockage d'énergie selon un schéma de principe d'une installation côtière, 10 - la figure 3bis illustre le stockage d'énergie selon un schéma de principe d'une installation en mer, - la figure 4 montre le principe d'un compensateur de pilonnement, - la figure Obis montre un compensateur de pilonnement utilisant la présente invention. 15 L'objet de l'invention proposée, consiste à mettre le volume de gaz de l'accumulateur en contact avec un milieu fluide où règne une pression suffisante et constante, quelles que soient les variations de volume imposées. Un tel milieu 20 existe: ce sont les masses d'eau océaniques, maritimes ou lacustres. En effet, dès que l'étendue et la profondeur sont suffisantes, l'introduction d'un volume immergé même important, comme le gonflage d'un gros ballon, se traduit par une variation du niveau de surface infinitésimale et indécelable. Il est donc légitime de considérer l'espace sous-marin comme un milieu à pression constante, à la 25 condition de rester à la même profondeur. Un mode de réalisation préférée de l'invention proposée est décrit par la figure 1. Il consiste à positionner dans une masse d'eau, à une profondeur z correspondant à la pression d'utilisation P, un équipement du type accumulateur 30 hydropneumatique, nommé ici « ballast » (Rf), où la partie liquide est en fait l'eau environnante, et le volume de gaz communique avec le volume de gaz d'un équipement semblable (Rs) situé en surface en liaison par une conduite (C). En considérant que la masse volumique du gaz employé, même sous pression, reste très inférieure à celle de l'eau, et en réalisant un moyen de transfert de gaz entre le fond et la surface limitant le niveau des pertes de charge, alors l'accumulateur placé en surface fonctionne à pression quasi constante. Un autre mode de réalisation de l'invention est décrit par la figure 2. Il consiste à utiliser cette fois l'atmosphère aérienne environnante comme milieu à pression constante, au lieu de la masse d'eau dans la réalisation précédente. On utilise ici un volume proche du vide (V) et deux sections de vérins S, s, sur une même tige pour créer une pression constante supérieure à la pression atmosphérique du rapport S/s. Ce mode ne peut présenter qu'un intérêt très limité, car la pression atmosphérique étant peu importante, la conversion en une pression plus élevée, mais restant faible, implique un équipement supplémentaire. De plus la création d'un vide est un ensemble très sensible techniquement. Applications au stockage d'énergie : Un système selon l'invention proposée peut constituer une solution intéressante de stockage temporaire d'énergie, notamment en termes de 20 rendement et d'impact. Les figures 3 et 3bis ci-dessous illustrent le principe de mise en oeuvre. Selon la figure 3, un réservoir fermé Rs, capable de résister à une pression interne importante est disposé à proximité d'une étendue d'eau présentant un accès suffisamment proche à une profondeur significative Z. Ce réservoir Rs peut 25 recevoir de l'eau sous pression à sa partie inférieure, et de l'air, également sous pression P, à sa partie supérieure, les deux fluides étant éventuellement séparés par un piston mobile ou une membrane pour empêcher la dissolution de l'air dans l'eau. Ce réservoir peut être modulaire, c'est-à-dire constitué d'un grand nombre de tubes reliés les uns aux autres en parallèle, chacun équipé d'un piston 30 séparateur ou d'une membrane. A la profondeur Z est ancré un réservoir Rf, ou « ballast », à volume variable, équivalent à son maximum au volume total du réservoir fermé disposé en surface. Le ballast Rf est rempli d'air à la pression correspondant à sa profondeur d'immersion, c'est à dire la pression hydrostatique, proportionnelle à 5 la profondeur. Ce réservoir peut être constitué d'une enveloppe étanche souple et déformable, lestée ou ancrée pour équilibrer la poussée d'Archimède, sans résistance particulière à la pression interne ou externe puisque l'air intérieur est à la pression de l'eau extérieure. Il peut aussi bien être constitué de tubes lourds, ce qui résout le problème de l'ancrage. Chaque tube est alors muni d'un piston 10 séparateur ou d'une membrane, le côté eau étant ouvert vers l'extérieur et le côté air étant fermé. Les compartiments « air » des deux réservoirs sont reliés par une canalisation C, capable de résister à la pression interne P, notamment dans sa partie supérieure. L'accumulation d'énergie est réalisée en remplissant d'eau Rs par sa partie 15 inférieure, au moyen d'une pompe Ps capable de refouler à la pression P. Au cours du remplissage, l'air situé en partie supérieure de Rs est progressivement chassé vers le ballast Rf, sans variation notable de sa pression. En effet, la masse volumique de l'air, même sous pression, étant très sensiblement inférieure à celle de l'eau, la différence de pression d'air due à l'altitude z entre les deux réservoirs 20 n'est pas pénalisante. La restitution de l'énergie accumulée se fait en faisant actionner une turbine Ts par l'eau de Rs sous pression constante P. Le rejet de l'eau se fait vers la mer ou le lac où elle a été puisée. L'air du ballast revient alors dans Rs, là encore sans variation notable de pression. 25 La figure ibis montre une installation en mer (offshore) sur laquelle l'ensemble de l'installation de surface est embarqué sur le support flottant: réservoir de surface Rs, pompe Ps, turbine Ts, générateur Gs. Une conduite, éventuellement flexible C, du type "riser" de production pétrolière relie le réservoir de surface au réservoir de fond. Le principe de fonctionnement est 30 identique à celui de l'installation côtière, Le dispositif fonctionne comme une chute d'eau inversée, à volume fini et hauteur constante. L'énergie qu'il est possible d'accumuler s'évalue donc très 5 simplement par la formule : E = P -V avec E en Joules, P en Pascals, et V (volume d'eau de Rs) en m3 P étant directement proportionnel à Z (Pb. = Zmètres x d/10), d masse volumique de l'eau, on peut également évaluer l'énergie par : 10 E = 360 avec E en kWh, Z en mètres, et V en m3 Le stockage d'une énergie de 1 Min nécessiterait par exemple un réservoir de 360 m3 avec un « ballast » de volume équivalent immergé à z=1000 m. Compte tenu des rendements de pompe/turbine, ce volume serait 15 plutôt de l'ordre de 400 m3. En surface (ou éventuellement immergé tout près de la surface) le réservoir Rs peut être constitué d'un ensemble de tubes parallèles fermés en acier résistant à la pression de service (100 bars), de diamètre environ 500 mm et de longueur 12 m, chacun équipé d'un piston interne et de connexions adaptées à ses 20 extrémités. 170 tubes seraient nécessaires pour 400 m3, soit 10 rangs de 17 tubes, ce qui représente un volume parallélépipédique de 5 m x 8 ,5 m x 12 m, éventuellement suspendu sous un flotteur. Au fond (1000 m), le ballast Rf peut être constitué d'un ensemble similaire du même nombre de tubes de même diamètre intérieur, équipés des mêmes 25 pistons séparateurs, mais dont les parois seraient en béton épais (100 mm) pour assurer le maintien au fond par leur seul poids. Les calculs ci-dessus ne prennent pas en compte les variations de pression de l'air avec la profondeur. En effet, de la même manière que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude, la pression dans la colonne d'air diminue 30 entre le ballast et le réservoir de surface, du fait du poids et de la compressibilité Z - V de l'air. La pression d'air en surface P, peut être estimée en fonction de la profondeur d'immersion Z du ballast par la formule suivante : Ps = Pf - e RT où Pi. est la pression de fond, M est la masse molaire moyenne de l'air 5 (0,02896 Kg/mole), g est l'accélération de la pesanteur (9,807 N/Kg), R est la constante des gaz (8,314 J/Kg.mole), et T la température en °K. Un calcul pour une température supposée uniforme de 10°C (283,15 °K) permet d'estimer la variation de pression de l'air entre le fond et la surface pour différentes profondeurs d'immersion. On note que si la correction peut être négligée jusqu'à 10 environ 500 m de fond, elle devient nécessaire au-delà de 1000 m. En pratique, cette correction intervient essentiellement au dimensionnement de l'installation. Par exemple, pour avoir 200 bars en surface, il sera nécessaire de positionner le ballast à 2800 m de profondeur au lieu de 2000 m. L'incidence thermodynamique lors des cycles, en revanche, restera négligeable, car les pressions de fond et de 15 surface ne varient pas. Refouler 1 m3 d'eau dans Rs à la pression de 100 bars nécessite une énergie théorique de 2,725 kWh. Une pompe (volumétrique) avec 90% de rendement consommera une énergie réelle de 3,028 kWh. 20 Faire fonctionner une turbine par ce même m3 d'eau poussé par la pression permanente de 100 bars, compte tenu d'un rendement également de l'ordre de 90% (turbine Pelton), ne permettra de récupérer que 2,453 kWh. Le rendement global attendu est donc 2,453/3,028, ou 90% x 90%, soit 81%. Ce rendement ne varie pas durant tout le cycle accumulation - puisage. En effet, 25 l'air utilisé n'est comprimé qu'une fois, puis il ne sert que de transmetteur de pression. Aucun effet thermodynamique ne vient perturber le cycle. C'est un avantage important, notamment par rapport aux systèmes utilisant la compression d'un gaz pour emmagasiner l'énergie, où le rendement est plutôt de l'ordre de 20%. 30 Un autre avantage important est l'absence totale de produits dangereux ou toxiques. Le seul risque est celui présenté par la pression élevée du circuit d'air, mais ce circuit est presque totalement sous-marin. Enfin l'utilisation de l'espace sous-marin permet de réduire l'impact environnemental et territorial. Un dernier avantage est que le réservoir de surface « voit » toujours la même pression intérieure, due tantôt à l'eau stockée, tantôt à l'air. Les cycles successifs 5 accumulation-soutirage n'induisent donc pas de cycles de contrainte et donc pas de fatigue du matériau du réservoir. Cette mise en oeuvre permet ainsi le « lissage » de la production d'énergie par des sources intermittentes ou aléatoires (éolien, solaire, houle, ...), 10 notamment pour des installations de taille réduite à moyenne : sites isolés, phares ou balises, PME en site côtier, plateformes en mer... En pratique, un tel stockage permettra d'améliorer sensiblement la fourniture d'énergie en l'adaptant à la demande, et éventuellement de diminuer la puissance maximale des générateurs d'énergie. 15 Un tel stockage peut également être utilisé en régulation d'un réseau d'énergie classique, par exemple pour accumuler de l'énergie à l'échelle d'une région « pauvre » en ressources énergétiques présentant des pics de demande importants à certaines heures. Au lieu de renforcer les lignes à haute tension 20 acheminant une puissance importante mais ponctuelle depuis des centrales de production éloignées, il sera sans doute préférable d'utiliser une puissance plus faible, délivrée en « heures creuses » par le réseau existant, pour accumuler les puissances nécessaires et les distribuer localement au bon moment. 25 Application à la compensation du mouvement de houle: Les plateformes flottantes et les navires d'exploitation des hydrocarbures en mer sont soumis à l'environnement local, et particulièrement à la houle qui peut atteindre des hauteurs de plusieurs mètres avec des périodes de l'ordre de 10 à 20 secondes. Il est indispensable de compenser au mieux le pilonnement 30 vertical pour pouvoir, soit continuer à forer, soit protéger les colonnes montantes (Riser). La méthode fréquemment employée consiste à intercaler entre la charge suspendue Mb et le support flottant un système amortisseur qui utilise des accumulateurs hydropneumatiques Ra. Selon la figure 4, la charge est supportée par l'intermédiaire de vérins V dont l'huile est maintenue sous pression sensiblement constante par un volume variable d'air comprimé via un piston séparateur Sha (figure 4). L'air comprimé joue le rôle de ressort. L'objectif est de 5 limiter la variation de pression due à la variation du volume d'huile dans les accumulateurs, pour rendre aussi constant que possible l'effort de suspension du train de tiges. Pour atteindre cet objectif, il est possible d'augmenter le volume d'air comprimé afin que la variation de volume n'engendre que peu de variation de pression. Mais le poids, l'encombrement et le coût des réservoirs sont vite 10 rédhibitoires. Selon la présente invention, il est possible d'améliorer ce système compensateur en remplaçant la réserve d'air par un système de réservoir de surface et ballast immergé procurant une pression constante sur l'huile des vérins. Comme le ballast immergé devra suivre le navire ou la plateforme après 15 le forage, et que la profondeur d'eau disponible peut être éventuellement de l'ordre de 500 m, ou moins, il paraît préférable de ne pas le fixer au fond, mais plutôt de le suspendre au navire. Le remplacement du séparateur par un multiplicateur de pression permettra de disposer par exemple d'une pression d'huile de 200 bars à partir d'une pression d'air de 50 bars. L'adaptation du 20 système à la valeur précise de la charge pendue pourra être réalisée par le réglage de la profondeur d'immersion du ballast, assorti de l'ajustement de la quantité d'air pour conserver la course. La figure 4bis ci-après permet de mieux comprendre ces perfectionnement. A partir d'un cas réel, on dimensionne un tel compensateur. Pour une 25 charge suspendue maximale de 450 tonnes (#1000 klbs) portée par 2 vérins dont les tiges ont un diamètre de 425 mm et une course de 7,62 m (25 ft), le volume actif d'huile est de 2,162 m3 et la pression maximum de 208 bars. En considérant une profondeur maximale d'immersion du ballast de l'ordre de 500 m, la pression d'air ne pourra pas dépasser 50 bars. Le volume d'air actif nécessaire sera de 30 l'ordre de 9 m3. Pour une course de piston de 10 m, le séparateur-multiplicateur aura une section « air » de l'ordre de 0,9 m2, et une section « huile » de 0,216 m2. Ceci peut être réalisé avec un seul dispositif où les diamètres des pistons « air » et huile sont respectivement de 1070 mm et 525 mm. Pour obtenir des diamètres plus réduits, on peut associer plusieurs dispositifs en parallèles, par exemple 6 ensembles où les diamètres des pistons « air » et « huile » sont respectivement de 437 mm et 214 mm, toujours pour une course de 10 m. Le tableau ci-après récapitule ce dimensionnement : P huile 208 bars Section totale vérins huile 2837 cm2 course 7,62 m Volume actif huile 2,162 m3 P air maxi 50 bars Volume actif air 8,993 m3 course piston séparateur 10 m Section piston air 0,899 m2 Section piston huile 0,216 m2 Soit pour 1 piston D=1070 mm et d=525 mm 2 pistons D=757 mm et d=371. mm 4 pistons D=535 mm et d=262 mm 6 pistons D=437 mm et d=214 mm Outre la réponse constante du « ressort à air » et la suppression de l'usure parasite du câble, l'intérêt principal de ce dispositif serait de remplacer les 18 m3 20 d'air à 208 bars embarqués sur le support flottant, par 2 réservoirs de 9 m3 à 50 bars, l'un à bord et l'autre suspendu en immersion à une profondeur maximale de 500 m. 25 Le même dispositif peut être employé pour suspendre sous des supports flottants soumis à la houle tout équipement nécessitant une tension constante, comme les colonnes montantes dites « risers » de production ou d'utilités diverses présentes sur les installations pétrolières en mer. 15 REVENDICATIONS1) Système d'accumulation d'un liquide sous pression P comportant au moins un premier réservoir Rs dans lequel des moyens de séparation aménagent deux chambres restant en équipression et dont une des chambres contient un premier fluide de masse volumique choisie, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un second réservoir Rf plongé dans un second fluide soumis à une pression constante, ledit second réservoir comportant également deux chambres en équipression, dont l'une est en communication avec ledit second fluide et l'autre est en communication par une conduite avec ladite chambre contenant ledit premier fluide dont la masse volumique est choisie inférieure à la masse volumique dudit second fluide. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel ledit second fluide est un liquide à la pression hydrostatique. 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit second 20 réservoir est plongé à une profondeur z dans la mer, un lac, ou équivalent. 4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide sous pression est stocké dans l'autre chambre du premier réservoir, à la pression du fluide compressible contenu dans le réservoir Rs. 25 5) Système selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel on ajuste la pression P en fonction de la profondeur z dudit second réservoir. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens 30 de séparation sont : un piston ou une membrane déformable. 7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit premier réservoir et ledit second réservoir sont constitués par une pluralité de réservoirs en parallèle. 8) Application du système selon l'une des revendications précédentes, pour le stockage d'énergie sous forme d'un liquide sous pression P dans ledit premier réservoir en surface. 9) Application selon la revendication 8, dans laquelle de l'énergie est utilisée pour 10 pomper le liquide sous pression dans ledit premier réservoir, et une turbine est utilisée pour récupérer une partie de l'énergie par la détente du liquide sous pression. 10) Application système selon l'une des revendications 1 à 7, pour maintenir une 15 pression sensiblement constante dans des vérins hydrauliques d'un compensateur de pilonnement.