Brevet FR3052852A1 — publié le 20171222

La présente invention concerne l'utilisation de matériaux à changement de phase, dit MCP, récupérant l'énergie thermique aquatique pour la transformer en électricité. Aujourd'hui, l'électricité est produite par des barrages hydrauliques, des centrales nucléaires, des éoliennes et des panneaux solaires. Les barrages hydrauliques perturbent l'écosystème, les centrales nucléaires présentent un risque de catastrophe écologique, les éoliennes fonctionnent par intermittence, dénaturent le paysage et créent un bruit permanent, les panneaux solaires, de faible rendement, fonctionnent par intermittence. Ce procédé innovant ne présente pas de risque technologique et écologique. Cette énergie renouvelable produite en milieu aquatique est continue, non 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 15 énergétiques contemporaines et peuvent atteindre plusieurs centaines de mégawatts par unité. Le système peut être conçu pour un recyclage total et sans impact environnemental. Les unités fonctionnent avec des matériaux non toxiques de type MCP (paraffine, margarine, polymère, acide gras, eau ... etc.) et ne présentent aucun risque de 20 catastrophe écologique. Les unités fonctionnent sous le niveau de la mer et ne dénaturent pas le paysage. Cette innovation comporte selon une première caractéristique un container en contact avec la température de surface, dit source chaude, qui, par un système de ballastage (entrée d'eau) va plonger pour se mettre en contact avec la température de 25 profondeur dit source froide, 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, puis par un système de déballastage (expulsion de l'eau par air comprimé) le container va 30 remonter à la surface. Par conséquent l'unité 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, les sources chaudes et froides peuvent se trouver en surface ou profondeur suivant leur emplacement. La récupération d'électricité peut se faire 3052852 2 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 différentes unités de production permettant chacune de réaliser le cycle précédent. Ces unités devront fonctionner de façon asynchrone de sorte qu'en permanence un 5 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 du lissage de la production industrielle en fonction de la puissance utile désirée. Les dessins annexés illustrent l'invention. 10 Figure 1 : Principe de l'invention Figure 2 : Coefficient d'efficacité d'une unité Figure 3 : Coupe verticale d'un exemple d'une possibilité de conception d'une unité de l'invention Figure 4 : Coupe horizontale d'un exemple d'une possibilité de conception d'une unité 15 de l'invention Figure 5 : Position haute (surface) d'un exemple d'une possibilité de conception d'une unité en fonctionnement Figure 6 : Position basse (profondeur) d'un exemple d'une possibilité de conception d'une unité en fonctionnement 20 En référence à ces dessins, figure 3 : l'unité comporte un container représenté de forme rectangulaire mais pouvant être d'une autre forme suivant son emplacement (0), d'une réserve d'air comprimé pouvant aussi accueillir un compresseur qui peut être interne ou externe sur une plateforme flottante (1),d'un ballast constitué d'un 25 espace pour aspirer l'air ou le gaz à comprimer et à refouler (2), permettant de chasser ou aspirer l'eau (3) par l'orifice (5). Le MCP (4) est en contact avec la machine thermique (6) qui fait tourner les génératrices (8). Au centre de l'unité se trouve un tunnel pouvant être remplacé par plusieurs tunnels désaxé suivant la forme du caisson et des courants marins (7). Figure 5 : le tunnel permet le guidage de l'unité 30 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 (9). 3052852 3 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 confortable de la viabilité d'un projet. Le premier principe fondamental de la thermodynamique montre qu'entre deux états, 5 la variation d'énergie totale est égale à la somme du travail et de la chaleur reçus par le système : AEI_÷2 = E2 - E, = A Wi_>2 Ici l'énergie totale est constituée d'énergie potentielle, Epot, et d'énergie interne notée 10 U. L'énergie cinétique est un constituant de l'énergie totale ici absente. On a : Ae,2 U,)+( E,,,2 Ep'ri) - 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 h1' l'intégrale curviligne T = -FF11=1 hi - h,)= MgAh L'unité va se déplacer de la surface à la profondeur d'immersion et inversement, c'est son poids apparent qui va devoir être considéré, c'est-à-dire qu'il faut tenir compte de sa flottabilité. 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 - LH : chaleur latente de fusion du MCP à la température du fond - Tfus : température à laquelle fond, ou se solidifie, le MCP Tfond - : température du fond - 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) - Ah : immersion du container contenant le MCP 3052852 4 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 -.{pdV où V est le volume dans les 5 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. Le volume des ballasts est dimensionné pour alourdir ou alléger les unités de façon 10 à les amener à leur 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 des unités est : AW1,2 -(peglAhl+ pc'',)VI, La variation d'énergie interne d'une unité de MCP est par demi-cycle : (12 U 1 PmV 'n (Cps, t lémd C psTs L ' 15 La température de changement de phase du MCP est telle que : Tsurface > Tfus > Tfond. L'énergie potentielle est MgAh où M = rb Vb En reportant les valeurs précédemment calculées on obtient la quantité de chaleur disponible dans une unité : Ae->2 - Pm Vm (CpsTfond CrsTs - )+ MgAh+(peglAhl+ )vb 20 Le coefficient d'efficacité est le rapport : AQ1 ->2 1 + Rn Vin (C psT fond - C psTs - LH) + MgAh A W1->2 (PeglAhl+Patm)Vb On définit le ratio de ballastage comme : 1+ PeVb . pint7', 3052852 5 Le graphique 3D en figure 2 permet de visualiser le coefficient d'efficacité 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 MCP, du 5 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 peut s'effectuer par câbles sous-marin ou sous forme 10 d'hydrogène. REVENDICATIONS1) Dispositif utilisant des matériaux à changement de phase et une machine thermique, immergé et émergé, pour la production d'électricité ou d'hydrogène en milieux aquatique. Caractérisé en ce que : le container (0) immergé ou émergé par le ballast (1) (2) (3) et (5) venant capter une source de chaleur différente au fond (11) ou à la surface (13) afin de faire changer de phase le MCP (4) qui alimente la machine thermique (6) et entraine la rotation de la génératrice (8). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que : Immersion et émersion des matériaux à changement de phase par ballastage et déballastage pour 10 les mettre en contact avec des sources de différentes températures. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif permet la production d'électricité industrielle de façon continue en milieu aquatique 4) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le 15 dispositif permette la fabrication d'hydrogène en milieu aquatique. 5) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif permette la fabrication d'eau douce en milieu aquatique. 6) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 5, caractérisé en ce que le dispositif permette la production hydroponique ou aéroponique de nourriture en milieu 20 aquatique. 7) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif permette l'aquaculture. 8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le container(o) peut être de forme différente, par exemple hydrodynamique pour l'adapté aux 25 courants des mers et océans, par conséquence les éléments constituant une unité peuvent être de diverses dimensions et être organisées de différentes façons. 9) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'invention peut être placée dans une piscine chauffée afin de récupérer une partie de l'électricité consommée pour chauffer l'eau ou pour produire de l'électricité. 30 10) Dispositif selon les revendications 1, 2, 4, 5, 6 et 7 pour créer et alimenter des bases aquatiques flottantes autonomes et amovibles pouvant être utilisées pour ravitailler en eau potable, alimentation et électricité des bateaux, ou des populations sédentaires, mais aussi pour faire vivre un microcosme.