Brevet FR3081035A1 — publié le 20191115

La présente invention concerne la conception d'un Dispositif Immergé de Collection et Conversion de l'Energie de la Houle ou des Vagues (DICCEHV). Cette invention a pour vocation d'extraire de l'énergie de la houle ou des vagues et de convertir cette énergie en mouvement ou en l'une au moins des énergies cinétique, potentielle, mécanique ou électrique. La plupart des dispositifs utilisant ou collectant et convertissant l'énergie de la houle sont des dispositifs de surface. Un certain nombre d'entre eux sont immergés (WO 2008/149084 A2, WO 95/08060, WO 97/37123, WO 2005/111411A1 FR 1100156). Ils permettent, grâce à une chambre de conversion étanche remplie d'un gaz ou partiellement sous vide, de collecter l'énergie associée aux variations temporelles de pression générées en profondeur par le passage des vagues ou la houle de surface et de la convertir en mouvement et force. Quelques dispositifs (FR 2 983 922-Bi) utilisent une chambre de conversion ouverte équipée d'un flotteur pouvant être lesté supprimant ainsi tous les problèmes d'étanchéité et d'usure associés. Ces dernières inventions souffrent d'une limitation de leur efficacité dans la mesure où un fluide compressible, dans une chambre close ou ouverte en sa partie basse, s'oppose au déplacement du système mobile en phase de compression. Un dispositif récent (FR 3 057 306-A1) permet une optimisation de la collection d'énergie de la houle en raccordant, à deux zones présentant des variations de pression différentes au cours du temps, un ensemble de deux chambres de conversion ouvertes en partie basse et équipées de flotteurs. Cependant l'utilisation de flotteurs dans les chambres de conversion peut être à l'origine de dysfonctionnements sévères lorsque les dits flotteurs sont accidentellement emplis d'eau de mer suite à une fausse manoeuvre ou une entrée intempestive d'eau de mer dans les chambres de conversion. La présente invention est un dispositif de collection et conversion de l'énergie de la houle ou des vagues, immergé à une profondeur donnée, utilisant les variations de pression induites par la modification des hauteurs de la colonne d'eau, résultant du passage des vagues au dessus du dispositif, couplées à la poussée d'Archimède s'exerçant sur des corps mobiles placés à intérieur de chambres de conversion. Le rendement d'extraction et de conversion de l'énergie de la houle de ce dispositif est équivalent aux dispositifs du brevet FR 3 057 306-Al. Il résulte de la juxtaposition d'au moins deux Systèmes d'Extraction et de Conversion (SEC) en communication par leur partie supérieure, l'un, noté (SEC1), étant en contact par sa partie inférieure avec 2 1 l'océan, l'autre, noté (SEC2), étant connecté par sa partie inférieure à une zone de l'océan où les variations de pression au cours du temps, générées en profondeur par la variation de hauteur de la colonne d'eau résultant du passage de la houle ou des vagues, sont différentes de celles se produisant au niveau du lieu d'implantation du 5 (SEC1). Cette disposition inclut aussi le raccordement du (SEC2) à un réservoir d'expansion dans lequel le niveau de la surface libre de l'eau de mer qu'il contient est maintenu quasi constant au cours du temps (la hauteur de la colonne d'eau correspondante reste quasi constante). Les principales innovations du présent Dispositif Immergé de Collection et 10 Conversion de l'Energie de la Houle ou des Vagues (DICCEHV) concernent : - les mobiles dans les SEC, que nous appellerons plongeurs dans la suite du texte, qui sont des corps non flottants, c'est à dire que la poussée d'Archimède qu'ils subissent est inférieure ou égale à leur poids même lorsqu'ils sont totalement immergés, 15 - les systèmes de régulation associés à chaque DICCEHV ou à un ensemble de DICCEHVs qui permettent d'optimiser le rendement d'extraction et donc de conversion de l'énergie de la houle ou des vagues sur une grande plage de variation de l'amplitude et de la longueur d'onde de la houle ou des vagues, passant au dessus du lieu d'implantation, 20 - la capacité à fonctionner sur l'ensemble des cycles de marées quelle que soit la hauteur de marnage, - la stabilité accrue par leur poids immergé - la conversion de l'énergie de la houle en énergie cinétique, mécanique, potentielle simplifiée, 25 - la production simplifiée d'énergie électrique à l'échelle de chaque DICCEHV immergé. Tous les DICCEHVs décrits dans ce brevet utilisent le même principe de collection de l'énergie de la houle ou des vagues, leurs architectures sont déclinées selon trois types d'applications dépendant du système de conversion présent dans 30 chaque SEC : - des DICCEHVs autonomes ayant pour fonction principale l'une au moins des fonctions de pompage, de compression, de transfert d'un fluide dans un circuit d'utilisation ou de stockage dont les systèmes de conversion sont des chambres de 3 1 transfert et de compression, - des DICCEHVs autonomes ayant pour fonction principale la production d'énergie électrique, dont les systèmes de conversion sont des générateurs d'électricité, - des DICCEHVs autonomes ayant pour fonction principale de produire de 5 l'énergie mécanique transmise par un axe pour actionner un système (générateur électrique, pompe, treuil...) qui lui sera couplé. A ces DICCEHVs mono-fonction s'ajoutent les DICCEHVs hybrides, d'architecture proche des DICCEHVs mono-fonction et dans lesquels sont installés au moins deux dispositifs de conversion pris parmi : des chambres de transfert et de 10 compression, des générateurs électriques rotatifs ou linéaires, des dispositifs de conversion en énergie mécanique et de transmission. Le DICCEHV est donc constitué de deux Systèmes d'Extraction et de Conversion notés SEC1 et SEC2 connectés entre eux par leur partie supérieure, l'un au moins, le SEC1 par exemple étant en communication par sa partie inférieure avec 15 l'océan via au moins une ouverture ou une canalisation connectée à l'ouverture, l'autre, le SEC2, étant en communication, par sa partie inférieure via une canalisation soit : - avec une zone de l'océan présentant une houle différente, avantageusement en opposition de phase, de la houle de la zone d'implantation du SEC1, c'est à dire une 20 zone de l'océan où les variations de pression en profondeur, générées au cours du temps par le passage de la houle ou des vagues en surface, sont différentes de celles générées par le passage de la houle ou des vagues au dessus du lieu d'implantation du SEC . - avec un réservoir d'expansion installé à la surface de l'océan, sur le littoral 25 ou encore immergé au fond de l'océan dans lequel le niveau de la surface libre de l'eau de mer qu'il contient est maintenu quasiment constant pour une altitude du niveau moyen de la surface libre de la mer ou de l'océan donnée (une hauteur de marée donnée). Une coupe médiane d'un premier exemple de réalisation du DICCEHV, ayant 30 pour fonction principale l'une au moins des fonctions de pompage, de compression, de transfert d'un fluide dans un circuit d'utilisation ou de stockage, est présentée sur la figure 1. Ce dernier est composé de 2 Systèmes d'Extraction et de Conversion notés respectivement SEC1 et SEC2 4 1 Le SEC1 est constitué : d'une chambre de conversion (1), de forme tubulaire, de longueur Lc, de section Sc, avantageusement circulaire, mais qui peut aussi être triangulaire, carrée, rectangulaire, hexagonale ou toute autre forme géométrique plane. La 5 chambre (1), disposée verticalement, close de façon étanche à sa partie supérieure, est partiellement emplie en sa partie haute d'un volume adéquat de gaz compressible, de préférence de l'air, et en sa partie basse d'un volume complémentaire d'eau de mer, (1) en communication avec le milieu marin extérieur par une ou plusieurs ouvertures (101) (une seule est représentée sur la 10 figure 1) connectée à une canalisation optionnelle (102) (non représentée sur la Figure 1) en cas de risques d'ensablement. d'un corps non flottant (2), appelé plongeur dans la suite des descriptions. Le plongeur (2) est de forme tubulaire, de géométrie identique à la chambre (1), de longueur Lp Phl) au cours de laquelle les niveaux de l'eau dans les chambres (1) et (3) varient jusqu'à atteindre la valeur critique 2AH = FR/( Sp x p x g) puis un cycle complet (Phl->Ph8) s'étendant sur la période d'une vague induisant une variation des niveaux d'eau de ±h dans les chambres (1) et (3). On peut noter ainsi que pour une 25 force résistante FR, imposant 2AH > FR/( Sp x p x g) pour produire le déplacement des plongeurs, la course totale des plongeurs obtenue sur un cycle complet (une période de vague) est égale à 4(h-AH) soit un travail W tel que W = FR x 4(h-AH) par cycle. Evolution des niveaux d'eau dans les chambres (1) et (3) en fonction du type de connexion des canalisations (301) 30 Selon que les DICCEHVs sont liés par leurs canalisations (301) à un réservoir d'expansion (14) ou à une zone de houle différente de la zone d'implantation l'amplitude maximale du déplacement des flotteurs est modifiée. Comme cela a été mentionné précédemment, pour simplifier l'explication on négligera la légère 27 1 compression du volume d'air contenu dans la partie supérieure du DICCEHV associée à la légère variation de pression au cours du fonctionnement. Figure 24, un schéma simplifié d'un DICCEHV sans plongeur, pour ne visualiser que les niveaux d'eau dans les chambres (1) et (3), est représenté immergé et 5 fixé sur le fond océanique, (1) est équipée d'une canalisation (102) et (3) d'une canalisation (301). A l'équilibre initial figure 24b, situation où la hauteur de la colonne d'eau est identique à l'aplomb des embouchures libres des canalisations (102) et (301), la surface libre de l'eau est au même niveau dans les chambres (1) et (3) repéré par la ligne en pointillée notée (Eq). 10 Soit ho la différence d'altitude entre le niveau (Eq) de la surface libre de l'eau dans les chambres (1) et (3) et le niveau moyen de la mer (noté 0). A l'équilibre, cette profondeur qui peut être comprise entre quelques mètres et plusieurs dizaines de mètres est de préférence choisie entre 10 et 20 m afin de réduire la vulnérabilité aux aléas climatiques (tempêtes, cyclones...), de ne pas générer de perturbations du trafic 15 maritime de surface et de permettre aux scaphandriers, chargés soit de l'installation soit de la maintenance des DICCEHVs, de travailler pendant une longue durée sans avoir à effectuer de longs paliers de décompression. Les figures 24a, 24b et 24c présentent les variations de niveau d'eau dans les chambres (1) et (3) lors du passage des vagues. Le DICCEHV est tel que 20 l'embouchure de la canalisation (301) est connectée à une zone de houle en opposition de phase par rapport à celle surplombant l'embouchure de la canalisation (102) c'est à dire que la distance L entre les embouchures libres de (102) et de (301) est égale à une demi longueur d'onde, ?J2, de la houle ou des vagues se propageant au dessus du site d'implantation. 25 La figure 24b correspond à la position d'équilibre initial où le niveau de la surface libre de l'eau dans les chambres (1) et (3) est identique (Eq). La crête de la vague est positionnée au milieu de la distance L et la hauteur des colonnes d'eau à l'aplomb des embouchures de (102) et (301) est identique et égale à ho par rapport à la ligne d'équilibre (Eq). 30 Les figures 24a et 24c montrent, pour deux configurations de vagues d'amplitude ±h, les variations des niveaux de l'eau dans les chambres (1) et (3). Sur la figure 24a, la crête d'une vague (altitude 0+h) surplombe l'embouchure de (102), conduisant à une colonne d'eau de hauteur ho+h par rapport à (Eq), et le 28 1 creux d'une vague (altitude 0-h) surplombe l'embouchure de (301) conduisant à une colonne d'eau de hauteur (ho-h) par rapport à (Eq). La pression à la surface libre de l'eau étant la même dans chacune des chambres (1) et (3) la configuration de vague conduit à une montée de +h du niveau de l'eau dans la chambre (1) et une descente de 5 -h du niveau de l'eau dans la chambre (3). Sur la figure 24c, le creux d'une vague (altitude 0-h) surplombe l'embouchure de (102), conduisant à une colonne d'eau de hauteur ho-h par rapport à (Eq), et la crête d'une vague (altitude 0+h) surplombe l'embouchure de (301), conduisant à une colonne d'eau de hauteur ho+h par rapport à (Eq). La pression à la surface libre de 10 l'eau étant la même dans chacune des chambres (1) et (3) la configuration de vague conduit à une descente de -h du niveau de l'eau dans la chambre (1) et une montée de +h du niveau de l'eau dans la chambre (3). Sur une période d'une vague le déplacement cumulé du niveau de l'eau dans chacune des chambres est de 4h. 15 Les figures 25a, 25b et 25c présentent un DICCEHV avec la canalisation (301) connectée à un réservoir d'expansion (14) dont la section SR est beaucoup plus grande que la section Sc de la chambre (3) et dont le niveau de la surface libre de l'eau qu'il contient est à l'altitude 0 (niveau moyen de la surface de la mer). La condition SR>>Sc implique qu'une variation du niveau de l'eau dans la chambre (3) induit une variation 20 infinitésimale du niveau de la surface libre de l'eau dans le réservoir (14) que l'on négligera pour simplifier l'explication. Le niveau de la surface libre de l'eau dans le réservoir (14) peut ainsi être considéré constant quel que soit le niveau de l'eau dans la chambre (3). La Figure 25b présente le DICCEHV à l'équilibre initial, l'amplitude de vague 25 est nulle au dessus de (102) correspondant à une colonne d'eau de hauteur ho par rapport à (Eq) au dessus de (102) et la hauteur de la colonne d'eau, au niveau de (301), maintenue à ho par rapport à (Eq) par le réservoir (14). Le niveau de l'eau dans les deux chambres (1) et (3) est identique (Eq). La figure 25a présente les variations des niveaux de l'eau dans les chambres (1) 30 et (3) lorsqu'une crête de vague surplombe l'embouchure de la canalisation (102), conduisant à une colonne d'eau de hauteur ho+h par rapport à (Eq), la colonne d'eau au niveau de (301) étant maintenue à ho par rapport à (Eq) par le réservoir (14). La pression à la surface libre de l'eau étant la même dans chacune des chambres (1) et (3) 29 1 la configuration de vague conduit à une montée de +11/2 du niveau de l'eau dans la chambre (1) et une descente de -h/2 du niveau de l'eau dans la chambre (3). La figure 25c présente les variations des niveaux de l'eau dans les chambres (1) et (3) lorsqu'un creux de vague surplombe l'embouchure de la canalisation (102), 5 conduisant à une colonne d'eau de hauteur ho-h par rapport à (Eq), la colonne d'eau au niveau de (301) étant maintenue à ho par rapport à (Eq) par le réservoir (14). La pression à la surface libre de l'eau étant la même dans chacune des chambres (1) et (3) la configuration de vague conduit à une descente de -h/2 du niveau de l'eau dans la chambre (1) et une montée de +11/2 du niveau de l'eau dans la chambre (3). 10 Sur une période de vague le déplacement cumulé du niveau de l'eau dans chacune des chambres est de 2h. La connexion de (301) à un réservoir d'expansion de grande section conduit à un déplacement du niveau de l'eau dans chacune des chambres de 2h qui est la moitié du déplacement 4h obtenu dans la cas de la connexion de (301) avec un zone de houle 15 en opposition de phase avec la houle surplombant l'embouchure de (102). Bien que conduisant à un rendement d'extraction de l'énergie de la houle réduit de 50% des DICCEHVs, la connexion des DICCEHVs à un réservoir d'expansion de grande section, placé en surface ou immergé sur le fond de l'océan, est une solution pertinente lorsque la zone d'implantation présente une houle variable rendant difficile voire 20 impossible l'adaptation de L à la demi-longueur d'onde de la houle. Sur l'ensemble des DICCEHVs décrits en exemple, la partie externe est immobile et les parties fonctionnelles mobiles (plongeurs (2) et (4), chambres de transfert et de compression (8) et (9), générateurs électriques (11) et (13), axes (113)) sont internes aux DICCEHVs ou recouverts de caissons étanches. Le fonctionnement 25 des DICCEHVs est donc totalement insensible au bio-fouling dans la mesure où la partie externe exposée peut être recouverte d'organismes marins en quantités importantes sans que cela soit préjudiciable au bon fonctionnement des DICCEHVs. Il n'est donc pas nécessaire d'appliquer de traitements anti-fouling, toxiques pour l'environnement, ce qui, de plus, simplifie la maintenance des dispositifs. La capacité 30 d'accueil d'organismes marins sur la partie externe des DICCEHVs leur confère aussi un rôle de récif artificiel présentant un effet positif sur l'environnement en particulier sur le repeuplement par les espèces pélagiques. Cette fonction d'accueil d'organismes marins peut être amplifiée par un traitement spécifique de la surface externe des 30 1 DICCEHVs lors de leur fabrication. Pour chaque configuration d'utilisation et de site d'implantation (profondeur d'immersion, valeur crête-crête des vagues, pression d'utilisation, force ou couple nécessaires, puissance recherchée...) un programme d'optimisation permet de 5 dimensionner les éléments constituant le DICCEHV. Les différents exemples de réalisation du DICCEHV sont utilisables aussi bien dans les zones de faibles marées que dans les zones à fortes marées. L'adaptation au niveau de la marée est implicite dans le cas des DICCEHVs connectés à une zone de houle différente du lieu d'implantation par la canalisation 10 (301). Dans le cas où les DICCEHV sont connectés à un bassin ou réservoir d'expansion le niveau d'eau dans ce dernier est continument corrigé soit par flottaison lorsqu'il est flottant soit par la mise en communication avec l'océan via une canalisation de faible diamètre lorsqu'il est en position fixe immergé ou sur le littoral. Dans tous les cas la marée conduit à une variation lente de la colonne d'eau 15 surplombant le DICCEHV qui se traduit par une variation lente de sa pression interne et qui conduit à un déplacement lent de la position d'équilibre du niveau de l'eau dans les chambres (1) et (3), à prendre en compte lors du dimensionnement mais sans incidence majeure sur le fonctionnement du DICCEHV. En effet ce déplacement du niveau d'équilibre des surfaces libres de l'eau dans les chambres (1) et (3) modifie de 20 façon identique la poussée d'Archimède sur chacun des plongeurs (2) et (4) sans modifier la force collectée (FR) ni la course des plongeurs (2) et (4) pour une amplitude de vague h donnée et une force (FR) imposée. Compte tenu de l'agressivité chimique de l'eau de mer il convient d'utiliser, pour construire les différents éléments constituant les DICCEHVs, des matériaux 25 résistants à cet environnement (béton, acier inox, alliages duplex, super duplex, polymères, matériaux composites, ...) ou protégés contre la corrosion et non toxiques pour l'environnement soit directement soit par leurs produits de dégradation. Un DICCEHV ayant des chambres (1) et (3) de 1 m2 de section et de longueur de 3 m immergé à 15 m de profondeur dans une zone où les vagues ont une amplitude 30 moyenne crête-crête de 1 m est en mesure d'extraire une puissance de l'ordre de 0,2 à 0,4 kilowatt selon l'architecture et la connexion de (301). La puissance d'un DICCEHV de petite dimension est donc faible. Cependant de fortes puissances peuvent être obtenues soit en immergeant les DICCEHVs de 31 1 petite dimension en grand nombre soit en construisant sur les mêmes principes des DICCEHVs de grande taille (chambres (1) et (3) de plusieurs dizaines de m2 de section). Dans ce dernier cas la dimension horizontale dite principale du DICCEHV (dimension perpendiculaire à la direction moyenne de propagation des vagues) sera 5 avantageusement inférieure à la demi longueur d'onde la plus courte de la houle ou des vagues observées au dessus de la zone d'immersion pour obtenir un optimum d'extraction. Dans tous les cas, les DICCEHVs étant totalement immergés resteront invisibles et silencieux depuis le littoral. Parmi les avantages des DICCEHVs de petite dimension (quelques m2 de 10 surface) on peut noter leur transport et leur manipulation plus facile, leur répartition qui peut prendre en compte les reliefs du fond marin diminuant ainsi les opérations d'adaptation au plancher océanique et permettant de respecter les structures et les organismes implantés à préserver. Du fait que pour leur fonctionnement les DICCEHVs décrits dans ce brevet 15 extraient de l'énergie en absorbant un volume d'eau au passage d'une crête de vague et en le restituant au passage d'un creux de vague, les DICCEHVs constituent de fait des amortisseurs de l'amplitude des vagues et conduisent à une réduction de la hauteur de la houle et des vagues. Leur immersion en rangs successifs, au voisinage des côtes, constitue ainsi, au delà de leur capacité à produire de l'énergie, une protection du 20 littoral contre l'érosion par amortissement de la houle et des vagues. Les DICCEHVs sont destinés, par exemple et de façon non exhaustive, à : pomper et comprimer un fluide, de préférence de l'eau de mer, et l'injecter dans une canalisation équipée en extrémité d'au moins un turbogénérateur pour la production d'électricité 25 pomper de l'eau de mer à grande profondeur et l'amener en surface afin d'alimenter en eau froide une installation exploitant l'énergie thermique des mers élever de l'eau de mer jusqu'à un réservoir placé en altitude au dessus du niveau de la mer pour stocker de l'énergie potentielle qui sera restituée par 30 gravité à au moins un turbogénérateur, placé au niveau de la mer ou immergé, via un orifice ou une conduite forcée injecter un fluide (air, eau, huile minérale ou de synthèse...) dans un circuit fermé pour actionner un système mécanique secondaire. 32 1 vider continument un réservoir immergé qui se remplit par l'intermédiaire d'au moins une canalisation munie en entrée d'au moins un turbogénérateur. produire de l'électricité 5 produire de l'énergie mécanique pour actionner des dispositifs qui leurs sont couplés amortir la houle et les vagues qui passent au dessus de leur lieu d'implantation. 10 15 20 25 30 33 1