Brevet FR3052853A1 — publié le 20171222

La présente invention concerne l'utilisation de matériaux à changement de phase, dit MCP, récupérant l'énergie thermique des mers, dit ETM ou énergie maréthermique pour la transformer en électricité via un système de ballastage et déballastage à air comprimé. Aujourd'hui, la plus grande partie de l'électricité consommée est produite par les centrales nucléaires qui présentent un risque de catastrophe écologique ou les barrages hydrauliques qui perturbent l'écosystème. Les énergies renouvelables actuelles comportent des aléas et des inconvénients ; les éoliennes fonctionnent par intermittence, dénaturent le paysage et créent un bruit permanent, les panneaux solaires de faible rendement, fonctionnent par intermittence. Ces énergies renouvelables ne peuvent pas rivaliser avec les puissances éleCtriques produites par les centrales nucléaires et les barrages hydrauliques. De nos jours, l'utilisation de l'énergie maréthermique se fait par un système de pompage en profondeur aspirant de l'eau à basse température qui est utilisée par une machine thermique à la surface. Ce système par pompage, perturbe l'écosystème par son aspiration d'eau, utilise de l'énergie pour pomper l'eau ce qui en rend le coefficient d'efficacité très faible et pose d'importants problèmes de tenue des tubes de pompage. La présente invention permet de remédier à tous ces inconvénients. En effet, l'énergie marétherique est stockée dans le MCP sous forme de frigories ou de calories au 20 contact des sources chaudes et froides en surface ou en profondeur par un système de ballastage et déballastage à air comprimée. La présente invention crée de l'énergie électrique sans risque technologique et écologique. Les niveaux de puissances calculés sont compatibles avec nos exigences énergétiques contemporaines et peuvent atteindre plusieurs centaines de 25 mégawatts. Cette invention peut délivrer des puissances électriques comparables à celles des centrales nucléaires et des barrages hydrauliques. Cette énergie renouvelable produite en milieu aquatique est continue, non intermittente, et, produit de l'énergie jour et nuit quelques soient les conditions météorologiques, de plus elle est réalisable dans d'excellentes conditions 30 économiques. L'invention peut être conçue pour un recyclage total et sans impact environnemental car elle fonctionne avec des matériaux non toxiques de type MCP (paraffine, margarine, polymère, acide gras, eau ... etc.), elle ne présente aucun risque écologique, et fonctionne sous le niveau de la mer sans dénaturer le paysage. De 35 plus, elle permet de recycler par reconversion les plateformes de puits pétrolier 3052853 2 obsolètes en les transformant en centrale électrique, ou, d'alimenter en eau et électricité les plateformes pétrolières reconverties en hôtel de luxe. Disposée sur un bateau l'invention sert à venir en aide aux populations victimes d'une catastrophe écologique afin de les alimenter en eau et électricité dès l'arrivée du bateau. 5 Cette innovation comporte, selon une première caractéristique un container, dit unité, en contact avec la température de surface, dit source chaude ou position haute, qui, par un système de ballastage (entrée d'eau par compression d'air ou de gaz) va plonger pour se mettre en contact avec de l'eau à la température des profondeurs dit source froide ou position basse, la différence de température entre le MCP et son 10 nouvel environnement permet la production d'énergie via une machine thermique. Le MCP va décharger ses calories en changeant de phase (solidification), ce qui revient à le charger en frigories, et le MCP devient ainsi une source froide. Puis, par un système de déballastage (expulsion de l'eau par air comprimé) le container va remonter à la surface. Par conséquent, l'unité via la différence de température entre 15 le MCP et son nouvel environnement (eau de surface), permet la production d'énergie via une machine thermique en retrouvant son état initial (phase liquide), ce qui constitue le cycle. Les sources chaudes et froides peuvent se trouver en surface ou en profondeur suivant leur situation géographique. Près d'un volcan sous-marin la source chaude sera captée au fond de la mer et démultipliera le rendement de l'unité de par la température élevé qui y règne. La récupération d'électricité peut se faire tant en surface qu'en profondeur tout au long de ce cycle. Pour une production industrielle continue, et non-intermittente, il est envisagé de mettre en parallèle plusieurs unités de production permettant chacune de réaliser le cycle précédent. Ces unités devront fonctionner de façon asynchrone de sorte qu'en permanence un nombre minimal d'unités soit en production pendant que les autres seront en déplacement. Le nombre et la taille de ces unités varis en fonction de la puissance utile désirée. Une fois l'énergie maréthermique transformée en énergie électrique, l'électricité est transportée par câble sous-marin jusqu'à la plateforme fixe ou flottante, qui peut se trouver au dessus de l'unité pour récupérer sa production ou être excentrée et récupérer la production de plusieurs unités. L'électricité fabriquée sur les plateformes est, soit consommée sur les plateformes habitées soit, suivant son éloignement des terres, redirigée par câbles sous marin, ou alimenter sur la plateforme une machine de production d'hydrogène par électrolyse et/ou une machine de désalinisation d'eau par évaporation. 3052853 3 L'hydrogène fabriqué sur la plateforme est stocké dans des réserves puis transporté vers les terres par bateaux ou elle pourra être retransformée en électricité via un générateur électrique fonctionnant à l'hydrogène. L'eau désalinisée fabriquée sur la plateforme est, soit consommée sur les plateformes 5 habitées soit transportée vers les terres par tuyaux sous marin ou encore stockée dans des réserves puis acheminée par bateau. Le système de stockage d'énergie dans le MCP sous forme de frigorie ou calorie permet de palier rapidement aux pénuries d'électricités en laissant une ou plusieurs unités non productives en position haute ou basse. 10 Les dessins annexés illustrent l'invention. Figure 1 : Principe de l'invention Figure 2 : Coefficient d'efficacité d'une unité Figure 3 : Coupe verticale d'un exemple de conception d'une unité de l'invention 15 Figure 4 : Coupe horizontale d'un exemple de conception d'une unité de l'invention Figure 5 : Exemple de conception d'une unité en fonctionnement en position haute Figure 6 : Exemple de conception d'une unité en fonctionnement en position basse Figure 7 : Exemple de forme hydrodynamique du caisson Figure 8 : Exemple d'un type de plateforme fixe avec passage des servitudes 20 Figure 9 : Exemple de l'invention installée près des côtes avec une plateforme fixe nouvellement crée ou sur une plateforme pétrolière fixe obsolète reconvertie Figure 10: Exemple de l'invention installée en haute mer avec une plateforme flottante nouvellement crée ou une plateforme pétrolière flottante obsolète reconvertie. 25 Figure 11 : Exemple de l'invention installée sur un bateau en position haute. Figure 12 : Exemple de l'invention installée sur un bateau en position basse. Figure 13 : Exemple de l'invention installée sur un bateau bicoque en position de navigation. Figure 14 : Exemple de l'invention installée sur un bateau bicoque en position basse. 30 En référence à ces dessins, Figure 2 : Le graphique 3D permet de visualiser le coefficient d'efficacité de l'invention pour une unité type dans un environnement 3052853 4 présentant un delta de température de 8 degrés et une profondeur de 100 métres. Figure 3 : le système comporte un container (0) représenté de forme rectangulaire mais pouvant être d'une autre forme suivant les contraintes environnementales, figure 7 : de forme hydrodynamique (21) par exemple. Figure 3 : d'une réserve d'air 5 comprimé pouvant aussi accueillir un compresseur (1) qui peut être interne ou externe sur une plateforme flottante (9), d'un ballast constitué d'un espace pour aspirer l'air ou le gaz à comprimer et à refouler (2), permettant de chasser ou d'aspirer l'eau (3) par l'orifice (5). Le MCP (4) est en contact avec la machine thermique (6) qui entraine les génératrices (8). Au centre de l'unité se trouve un tunnel (7) pouvant être remplacé 10 par plusieurs tunnels désaxés suivant la forme du container, de son utilisation ou des courants marins. Figure 5 : le tunnel permet le guidage de l'unité lors de ses déplacements sur l'axe (10). Cet axe est maintenu au fond (11) avec un plot (12) et en surface (13) par un flotteur ou une plateforme (9). L'électricité produite par l'unité est transportée par 15 câble sous marin (14), d'autres câbles par exemple optiques, électriques ou des tuyaux marins peuvent s'ajouter le long du câble sous-marin, afin de transmettre les informations, d'alimenter le caisson (0) en complément d'air ou pour créer une ventilation par entrée et sortie d'air entre le caisson(0) et la plateforme (9). Figure 8 Le câble sous marin (14) est raccordé au plot (12) et rejoint la plateforme 20 (9) en passant au centre de l'axe (10), où il alimente la machine à désaliniser l'eau par évaporation (15), la machine de fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau(16) et, est redirigé vers les terres par câble sous marin (17). L'eau désalinisée est stockée dans la réserve (19) ou est redirigée vers les terres par le tuyau sous marin (18). L'hydrogène fabriqué est stocké dans la réserve (20). 25 Figure 9 : Exemple d'un système installé près des côtes avec une plateforme fixe (9) nouvellement crée ou une plateforme pétrolière obsolète reconvertie, où les unités (0) fonctionnent de façon asynchrone. L'électricité produite par les unités (0) est transportée par câble sous-marin (14) jusqu'à la plateforme (9) où elle alimente la machine à désaliniser l'eau (15) et/ou est redirigée vers les terres par le câble sous 30 marin (17). L'eau désalinisée est transportée vers les terres par tuyau sous marin (18). Figure 10 : Exemple d'un système installé en haute mer avec une plateforme flottante (9) nouvellement crée ou une plateforme pétrolière obsolète reconvertie, où les unités (0) fonctionnent de façon asynchrone. L'électricité produite par les unités (0) est 3052853 5 acheminée par câble sous-marin (14) jusqu'à la plateforme (9) où elle alimente la machine à desaliniser l'eau par évaporation (15) et/ou la machine de fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau (16). L'eau desalinisée est stockée dans la réserve (19), l'hydrogène est stocké dans la réserve (20) en attendant leurs transports 5 vers les terres par bateau. Figure 11 : Exemple de l'invention installée sur un bateau monocoque (24) en position de production haute, L'unité (0) en forme de coque de bateau, est guidée par les câbles (23) Les ballastage et déballastage se font par air comprimé, les enrouleurs électrique (22) supportent uniquement le poids du câble de guidage (23) 10 et non celui du caisson (0). Le câble d'alimentation (14) est stocké sur le caisson (0). Sur le bateau (24) est installé un désanilisateur par évaporation (15) afin d'envoyer de l'eau désanilisée vers les terres par tuyaux sous-marin ou flottant (18) ou de la stockée dans la réserve (19). Le bateau (24) est équipé d'une machine de fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau (16) et d'une réserve pour stocker d'hydrogène 15 (20). L'électricité produite est transportée vers les terres par câble sous-marin ou flottant (17) ou sous forme d'hydrogène suivant son éloignement par rapport aux terres. Figure 12 : Exemple de l'invention installée sur un bateau monocoque (24). En position de production basse, l'unité (0) est immergée en profondeur. L'emplacement 20 réservé sous la coque (28) sert à emboiter l'unité (0) dans la coque du bateau (24) lors de sa remontée. Figure 13 : Exemple de l'invention installée sur un bateau bicoque (25) en position de navigation. Le bateau se présente comme trois superpétroliers côte à côte ayant une forme de coque identique. Celui du milieu est l'unité (0), les grues (26) permettent 25 de bloquer l'unité (0) contre le pont (27) via les câbles de guidage (23). En position de navigation le bateau (25) est un bateau tricoque. Figure 14 : Exemple de l'invention installée sur un bateau bicoque (25) en position de production basse. L'électricité produite par l'unité (0) est acheminée jusqu'au bateau via le câble (14). Sur le bateau (25) est installé un désanilisateur par 30 évaporation (15) afin d'envoyer de l'eau désanilisée vers les terres par tuyaux sous-marins ou flottants (18) ou de la stocker dans la réserve (19). Le bateau (25) est aussi équipé d'une machine de fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau (16) et d'une réserve pour stocker d'hydrogène (20). L'électricité produite est transportée vers les terres par câble sous-marins ou flottants (17) ou sous forme d'hydrogène 3052853 6 suivant son éloignement par rapport aux terres. L'unité (0) peut être divisée en plusieurs unités afin de permettre un fonctionnement asynchrone. Viabilité du procédé La réalisation d'une idée nouvelle doit s'appuyer sur des calculs conservatifs c'est-à5 dire permettant de s'assurer avec une marge confortable de la viabilité d'un projet. Le premier principe de la thermodynamique énonce qu'entre deux états notés par les indices 1 et 2, la variation d'énergie totale est égale à la somme du travail et de la chaleur reçus par le système : 10 AEI->2 E2 El A Wl->2 AQI ->2 L'état indicé par 1 est celui de l'unité en position basse, par exemple au fond, et 15 l'état indicé par 2 celui de la centrale en position haute, par exemple en surface à fleur d'eau. L'énergie totale est constituée d'énergie potentielle, notée Epot, et d'énergie interne notée U. L'énergie cinétique est un constituant de l'énergie totale ici absente car la 20 centrale est à vitesse nulle dans l'état 1 et dans l'état 2. On a donc i1WT 2~QI, (1 L'énergie potentielle d'une masse M est l'énergie qu'elle peut fournir lorsque son 25 altitude / profondeur h varie de Ah = h2 - hi mètres. Elle correspond au travail T de la force de gravité , F , donné par l'intégrale curviligne h2 T = Pi-il =1111(h2 - h1) = MgAh où g est le module de l'accélération de la pesanteur. hl L'unité va se déplacer de la surface à la profondeur d'immersion et inversement. 30 C'est son poids apparent qui doit être considéré et non son poids. Détaillons maintenant chacun de ces termes. La nomenclature utilisée est : - pm : masse volumique du matériau à changement de phase (MCP) - Pe : masse volumique de l'eau de mer - Cps : chaleur spécifique à pression constante du MCP - LH : chaleur latente de fusion du MCP à la température du fond - Tfus : température à laquelle fond, ou se solidifie, le MCP . fond - T - température du fond - Ts : température de surface 3052853 7 - Vm : volume de l'unité en plongée (contient le MCP, les câbles électriques, la structure ...) - Vb : volume du ballast utilisé pour la remontée de l'unité - g : accélération de la pesanteur (9,81 m/s2) 5 - Ah : immersion du container contenant le MCP L'unité est construite de façon à être en équilibre hydrostatique en surface en tenant compte de tous les éléments structuraux, le MCP, les câbles électriques, etc. Une rentrée d'eau dans un ballast la fera descendre à la profondeur d'immersion voulue. La remontée se fera en chassant cette eau du ballast. 10 Le travail à fournir pour chasser cette eau est alors --f per où V est le volume dans les ballasts occupé par l'eau qui sera remplacée par de l'air comprimé. Le déplacement en plongée de l'unité est peVp où Vp est le volume total de la centrale, ici Vp = Vm + Vb. La situation surface de l'unité est la situation d'équilibre statique en plongée, parfaitement pesée en flottabilité nulle et en assiette zéro, à 15 vitesse nulle. Le volume des ballasts est dimensionné pour alourdir ou alléger l'unité de façon à l'amener à son point de production ou de stockage de calories ou frigories, en tenant compte de l'environnement (courant, frottement, dynamique, ...). Le travail à fournir pour la remontée d'une unité est Alf >, Le 20 mouvement de remontée est pris quasi-statique. La variation d'énergie interne d'une unité de MCP est 112 P, Th, ( T par demi-cycle La température de changement de phase du MCP est telle que : Tsurface > Tfus > Tfond- 25 L'énergie potentielle est MgAh où M = peVb. En reportant les valeurs précédemment calculées on obtient la quantité de chaleur disponible dans une unité AQ1,= P.Vm(C psTfond -C,Ts LH)+MgAh+(oeglAhl+ Patni)Vb Le coefficient d'efficacité est le rapport 1+PmVm p sT fond - C es,T Lu)+ MgAh (PeglAhl+ Patin)Vb 30 3052853 8 On définit le ratio de ballastage comme : 1+ P eVb . PYm La puissance utile récupérée dépend à la fois de la quantité et du type de MCP, du nombre d'unités de production, du rendement de la machine thermique et de la différence de température entre la source chaude et la source froide. Des puissances 5 de quelques centaines de mégawatts sont facilement envisageables avec des technologies maitrisées. REVENDICATIONS1) Dispositif permettant la production d'électricité en milieu aquatique via le déplacement par ballastage et déballastage à air comprimé d'une masse de MCP, captant et stockant l'énergie thermique des mers (ETM) pour la transformer en électricité via une machine thermique et une génératrice caractérisé en ce que : Un container (0) en surface (13) muni de MCP (4) est immergé en profondeur (11) par admission d'eau (3) dans les ballastes (2) via l'orifice (5) en comprimant l'air dans la réserve (1), la différence de température entre le MCP (4) à température de surface (13) et la température de l'eau en profondeur (11) permet la production d'électricité via la machine thermique (6) et la génératrice (8), une fois le MCP (4) en équilibre avec la température des profondeurs (11) le container (0) émerge en chassant l'eau (3) du ballast (2) par l'orifice (5) en utilisant l'air stocké dans la réserve (1) vers le ballast (2), la différence de température entre le MCP (4) qui est à la température de l'eau de profondeur (11) et la température de l'eau de surface (13) permet la production d'électricité via la machine thermique (6) et la génératrice (8). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie marethermique est stockée sous forme de frigorie ou de calorie dans le MCP (4) permettant de palier rapidement aux pénuries d'électricités. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il permet la 20 fabrication d'hydrogène via la machine à électrolyse (16) et la fabrication d'eau désanilisée via la machine à évaporation (15). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie thermique des mers est captées par le MCP au moyen d'un système de ballastage et déballastage à air comprimé. 25 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un plot (12) et un axe (10) servant de gaine afin d'acheminer l'électricité et l'eau désanilisée fabriquée dans des câbles sous marins (14). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un flotteur (9), qui peut être un bateau, une plateforme ou une plateforme pétrolière. 30 7) Dispositif selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que disposé sur une plateforme pétrolière (9) il permet de transformer la plateforme pétrolière obsolète en centrale électrique. 3052853 10 8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le container(o) peut être rectangulaire, en forme de coque de bateau ou de forme hydrodynamique (21) pour l'adapter aux courants des mers et océans. 9) Dispositif selon la revendication 1, 6 et 8 caractérisé en ce que disposé sur un 5 bateau il sert à venir en aide aux populations victime d'une catastrophe les privant d'eau et électricité.