Brevet FR3052818A1 — publié le 20171222

Centrale énergétique utilisant des matériaux à changement de phase en milieu aquatique pour la production et le stockage industriel d'énergie renouvelable. Objet de l'invention / Domaine technique de l'invention Cette invention concerne l'utilisation de matériaux à changement de phase en milieu aquatique pour la production et le stockage industriel d'énergie renouvelable. Cette invention peut être valorisée dans le cadre de la production industrielle d'électricité, pour la désalinisation d'eau, pour l'aquaculture, pour la production d'eau chaude ou d'eau froide. Contexte de l'invention Les sources d'énergie conventionnelles, tels les fossiles et nucléaires montrent leur limite, leur coût, leur impact sur l'environnement. Les énergies renouvelables classiques, tels qu'éolienne, géothermique, hydrologique, solaire sont intermittentes et ne permettent pas une production planifiée. L'apparition sur le marché de matériaux à changement de phase permet de développer un procédé visant à produire une énergie renouvelable et maitrisée. Résumé de l'invention et état de la technique antérieure Il est de notoriété qu'il existe un gradient de température entre les eaux de surfaces et les eaux plus profondes, constituant respectivement les sources chaudes et les sources froides, d'une quelconque étendue d'eau (mer, océan, lac naturel ou artificiel, sources volcaniques...). Depuis 1926, cette différence de température a fait l'objet de plusieurs tentatives d'exploitation sans résultat économiquement viable, l'éloignement séparant la source chaude de la source froide étant son handicap. 3052818 - 2 - L'objet essentiel de la présente invention est un procédé utilisant, grâce aux matériaux à changement de phase, des sources mobiles alternativement chaudes et froides pour la production d'énergie exploitable, permettant de mettre en contact direct ces sources. Le principe de fonctionnement L'idée est simple : Prenons une quantité de MCP (Matériau à Changement de Phase) initialement chargée en calories à l'état liquide, et positionnée près d'une source chaude (en surface en milieu aquatique) Ce MCP est ensuite transporté près d'une source froide (en profondeur) où la différence de température entre le MCP et son nouvel environnement peut permettre 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 lorsqu'il est transporté à la surface. Par conséquent le MCP, via la différence de température entre 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. Voir figure N°1 La récupération et le stockage d'énergie renouvelable peut se faire tant en surface qu'en profondeur tout au long de ce cycle qui, pour une production industrielle continue, et non-intermittente, doit être organisée. La descente et la remontée des unités contant le MCP nécessitent une énergie infime par rapport à l'énergie récupérable en utilisant des techniques de ballastage ou de contrepoids. Ces techniques sont au point et ne posent pas de problème technique particulier. Stratégies possibles pour une exploitation continue Afin d'optimiser ce système pour une exploitation industrielle continue et non-intermittente, il est envisagé de mettre en parallèle différentes unités de production permettant chacune de réaliser le cycle précédent. Ces unités devront fonctionner de façon asynchrone de sorte qu'en 3052818 - 3 - permanence un nombre minimal d'unités soit en production pendant qu'une partie de ces unités seront en déplacement. Le nombre de ces unités et le déphasage est le résultat d'une optimisation 65- du lissage de la production industrielle en fonction de la puissance utile désirée. Viabilité du procès La réalisation d'une idée nouvelle doit s'appuyer sur des calculs conservatifs c'est-à-dire permettant de s'assurer avec une marge 70 confortable de la viabilité d'un projet. Le premier principe fondamental de la thermodynamique montre qu'entre deux états, la variation d'énergie totale est égale à la somme du travail et de la chaleur reçus par le système : 75 AE1,2 - E1 = AW1._>2+ AQI_>2 Ici l'énergie totale est constituée d'énergie potentielle, Epot, et d'énergie interne notée U. L'énergie cinétique est un constituant de l'énergie totale ici absente. 80 On a : A (U2 (E el( 2 - E,() ' L'énergie potentielle d'une masse est l'énergie qu'elle peut fournir lorsque son altitude/ profondeur varie de Ah mètres. Le travail effectué par cette force est l'intégrale curviligne T = f -.É7// ".= Fj(hf-hi)=MgAh. h L'unité va se déplacer de la surface à la profondeur d'immersion et 85 inversement, c'est son poids apparent qui va devoir être considéré, c'est- à-dire qu'il faut tenir compte de sa flottabilité. 3052818 - 4 - Détaillons maintenant chacun de ces termes. La nomenclature utilisée est - pm : masse volumique du matériau à changement de phase (MCP) 90- - pe : masse volumique de l'eau de mer - Cps : chaleur spécifique à pression constante - LH : chaleur latente de fusion du MCP à la température du fond - Tfus : température à laquelle fond, ou se solidifie, le MCP - T . fond : température du fond 95 - Ts : température de surface - Vm : volume du container contenant le MCP - Vb : volume du ballast utilisé pour la remontée du container - g : gravité terrestre (9,81 m/s2) - ,8,1.1 : immersion du container contenant le MCP 00 L'unité est construite de façon à être en équilibre hydrostatique en surface. Ainsi une légère entrée d'eau la fera descendre à la profondeur d'immersion voulue. La remontée se fera en chassant cette eau d'un ballast. Le travail à fournir pour chasser cette eau est -f pdV où V est le volume 05 dans les ballasts occupé par l'eau qui sera remplacée par de l'air. Le déplacement en plongée de la centrale est peVp, où Vp est le volume total de la centrale, ici Vp = Vm + Vb. La situation surface des unités est la situation d'équilibre statique en plongée en assiette zéro. 10 Le volume des ballasts est dimensionné pour alourdir ou alléger les unités de façon à les amener à leur point de production ou de stockage en tenant compte de l'environnement (courant, frottement, dynamique...). Le travail à fournir pour la remontée des unités est : APVI2= -(peglAh patin) Vb 3052818 - 5 - [15 La variation d'énergie interne d'une unité de MCP est par demi-cycle : U2 - - 19 me7m (C psTfimd C psTs L H) ' La température de changement de phase du MCP est telle que : Tsurface > Tfus > Tfond. L'énergie potentielle est Mg Ah où M = rb Vb [20 En reportant les valeurs précédemment calculées on obtiens la quantité de chaleur disponible dans une unité : py',(C fond - C psTs - LH) + Mg Ah + (pegAhl+ patin) Vb rendement est le rapport est pinV',(C psT fond - C psT s - L H) + Mgr 1+ (pegAhl + pa.)Vb 25 On définit le ratio de ballastage comme : 1+ Perjb pmV', Le graphique 3D en figure 2 permet de visualiser le rendement de l'invention pour une unité type dans un environnement présentant un delta de température de 8 degrés. La puissance utile récupérée dépend à la fois de la quantité et du type de 30 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 de quelques centaines de mégawatts sont facilement envisageables avec des technologies maitrisées. L'acheminement de l'énergie s'effectue par câbles sous-marin. 35 Conclusions Ce procédé innovant ne présente pas de risque technologique et ne nécessite pas d'investissement prohibitif. 3052818 - 6 - Cette énergie renouvelable produite en milieu aquatique est continue, non 40 intermittente et réalisable dans d'excellentes conditions économiques. Les unités produisent de l'énergie jour et nuit quelques soient les conditions météorologiques. Les niveaux de puissances calculés sont compatibles avec nos exigences énergétiques contemporaines et peuvent atteindre plusieurs centaines de 45 mégawatts. Le système peut être conçu pour un recyclage total et sans impact environnemental. REVENDICATIONS1. Dispositif pour la production et le stockage industriel de façon continue d'énergie renouvelable en milieu aquatique 2. Dispositif pour produire de l'électricité 3. Dispositif pour la désalinisation d'eau 4. Dispositif pour l'aquaculture 5. Dispositif pour la production d'eau chaude ou d'eau froide