Brevet FR3081940A1 — publié le 20191206

Procédé et système pour produire de l'énergie électrique à partir de courants marins ou fluviaux. La présente invention se rapporte à un procédé et un système 5 pour produire de l'énergie électrique à partir des courants marins ou fluviaux. Le système de génération d'une circulation fluide accélérée est assuré par un ensemble immergé de caissons passifs dotés d'orifices de captation hydraulique, tandis que Le système de transformation d'énergie fluide en énergie cinétique 10 de rotation destinée à faire tourner une turbine associée à une génératrice électrique qui se trouve en surface. Elle trouve une application particulièrement intéressante, mais non exclusivement, pour les pays et régions disposant d'une côte maritime soumise aux marées et aux courants et désireux de 15 développer sa capacité de production en énergie renouvelable tout en préservant l'accès et l'attractivité touristique de son littoral, et pour des territoires traversés par des cours d'eau à la profondeur et au débit suffisant. Elle peut également être associée de façon complémentaire à des sites existants ou 20 d'autres moyens de production d'énergie renouvelable, tels des sites d'éoliennes offshore ou des moyens de production électrique par panneaux photovoltaïques. Si l'utilisation de l'énergie cinétique des flux d'eau pour produire une énergie de rotation est une notion répandue depuis 25 plus de deux mille ans (principe des roues à aubes des moulins), elle offre également des voies de recherches plus modernes avec la volonté de développer les énergies renouvelables (hydroliennes). D'une façon générale, l'exploitation des énergies marines est moins développée que celle des courants fluviaux, ces 30 derniers offrant des capacités de canalisation qui facilitent la transformation de l'énergie à partir de l'écoulement d'un flux allant toujours dans le même sens, à force constante, ou pouvant être régulée. Ce potentiel de production d'énergie électrique est exploité économiquement au mieux dans les pays industrialisés 35 depuis plus d'un siècle et n'est pas extensible pour augmenter la part de l'énergie renouvelable nécessaire à l'avenir. Par contre l'énergie marine, bien que présentant des caractéristiques moins adaptées à sa transformation du fait des cycles lents de ses phénomènes de marée, de l'aspect non canalisable de ses courants et d'une énergie permanente de faible amplitude de sac et de ressac, constitue un enjeu économique majeur et offre les plus fortes perspectives d'exploration dans les années à venir. Un obstacle supplémentaire au développement d'une exploitation rentable de l'énergie marine est constitué par son 10 milieu agressif. Outre des moyens d'étanchement complexes, la salinité de l'eau dans le cas d'une exploitation marine, impose de fortes contraintes de conception des équipements immergés et nécessitent l'utilisation des matériaux couteux. De même, les forces des éléments naturels mises en jeu impose un 15 dimensionnement des équipements et des infrastructures particulièrement solides. Ces contraintes ont bien évidemment des conséquences sur la durée de vie des équipements, et des incidences économiques fortes sur la maintenance de ceux-ci. Les systèmes de production d'énergie électrique à partir de 20 courants marins ou fluviaux selon l'art antérieur utilisent soit l'énergie liée à l'écoulement d'un flux d'eau canalisé, soit exploitent de façon immergée les courants sous-marins. L'exploitation d'un flux canalisé se traduit soit par la création d'énergie potentielle pour les barrages et centrales 25 hydroélectriques permettant de faire tourner des turbines, soit par sa transformation en énergie cinétique de rotation directement à partir du courant permanent de surface, comme dans le cas des moulins à eaux. Dans le cas d'une exploitation de courants sous-marins, comme dans le cas des usines marées- 30 motrices ou des hydroliennes, les turbines destinées à utiliser l'énergie d'un fluide liquide sont par nature immergées. Le problème des solutions antérieures se résume par des difficultés d'implantation du fait de l'aspect limité des zones naturelles capables de recevoir de tels équipements, de leur acceptation par 35 les populations locales, de leur coûts de conception, de réalisation et surtout de maintenance. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé nouveau dans le cadre d'un système permettant de transformer de l'énergie marine ou provenant d'un cours d'eau en énergie électrique. 5 L'invention présente également l'avantage de permettre de proposer des structures et des équipements ne nuisant pas visuellement ou écologiquement à l'environnement. De plus son implantation peut contribuer à réduire les contraintes fortes de protection et de sécurité dans le périmètre de l'installation, du fait que les parties mobiles ne sont pas immergées. On atteint les buts précités avec un procédé basé sur un ensemble immergé d'enceintes ou de caissons passifs dotés d'orifices ou d'évents destinés à capter un flux ou un courant marin, et produisant une circulation d'eau dans des tubes ou des tuyaux, acheminée en surface pour alimenter un ensemble de turbines à eau, ces dernières entrainant elles-mêmes un système de génération électrique grâce à un système de transmission conventionnel, par courroie, engrenages, etc. Contrairement au systèmes antérieurs, l'invention n'exploite pas les forces naturelles des courants pour une transformation mécanique en direct sur des parties mobiles, mais vise à produire une circulation fluide permanente avec une pression suffisante pour actionner des éléments de génération électrique déportés. Une telle distribution permet de concevoir un système global ou les éléments immergés peuvent être réalisés avec des matériaux peu onéreux et sans coût induit par des contraintes d'étanchement ou de protection anticorrosion, tandis que les éléments sensibles, tels que des éléments électriques, composants électroniques ou génératrice, peuvent être placés sur une plateforme fixe ou mobile en surface de l'eau. La figure 1 est une vue schématique illustrant le procédé selon l'invention, et permettant d'identifier les différents éléments du système. Un ensemble immergé de caissons (1) transforme, grâce à la réduction de section produite par la forme de leurs évents, des courants sous-marins ou fluviaux (2) en un flux d'eau accéléré (3) qui est acheminé à l'aide de tubes ou de tuyaux (4) vers un ensemble de turbines (5) situé sur une plateforme de surface, et destinée à transformer l'énergie cinétique en énergie de rotation en la transmettant à un ensemble générateur d'énergie électrique (7) à l'aide d'un système de transmission (8). Sur cette illustration, le caisson immergé est 5 maintenu dans le courant à titre d'exemple par un système de haubans (9) reliés au fond marin. Dans la suite du document nous associerons le terme d'orifice de la cavité se rétrécissant au terme d'«évent» dont la forme constitue un entonnoir destiné à capter le plus largement 10 possible les flux ou courants d'eau. Il est de la connaissance de l'homme de métier qu'un fluide incompressible circulant dans un tube se rétrécissant entraine une augmentation de la vitesse du fluide due à la réduction de section du tube. C'est l'effet « Bernoulli » ou l'effet 15 « Venturi ». Sans rentrer dans les calculs qui n'ont d'effet dans l'invention que dans l'optimisation du rendement, il est de la connaissance générale qu'un tube se rétrécissant soumis à une pression constante va provoquer à la sortie du tube une 20 circulation d'eau dont la vitesse va être supérieure à celle entrant dans la partie évasée de l'entonnoir. Il est également de la connaissance générale que la pression de l'eau augmente à mesure qu'on la puise en profondeur et que cette pression peut tendre à faciliter la remontée de la masse 25 d'eau en circulation vers la surface. Des clapets anti-retour dans le dispositif de circulation d'eau peuvent peuvent être utilisés pour permettre ou optimiser notamment l'acheminement de l'eau en surface. La modélisation d'un tel système pour son exploitation et la 30 détermination des paramètres de dimensionnement des éléments (caissons, évents, tuyaux, et.) et des profondeurs auxquelles le rendement peut être optimisé est donc dépendant du site d'implantation et des paramètres naturels le caractérisant. Il n'est donc pas du ressort de l'invention de préciser ces notions. 35 Le principe de l'invention est de capter en surface ou en profondeur des courants fluviaux ou sous-marins pour créer une 5 -- circulation d'eau accélérée destinée à être transformée de façon déportée en énergie de rotation capable d'actionner un système de génération électrique. Le flux d'eau accéléré est produit à partir de caissons immergés dont les orifices sont évasés pour 5 capter les courants d'eau et dont la réduction de section produit sous l'effet de la poussée d'entrée du fluide incompressible en sa sortie un flux d'eau accéléré. Cette propriété physique connue sous le nom de loi de Bernoulli permet à un caisson passif de produire une circulation d'un flux accéléré par rapport à la 10 vitesse de son courant d'entrée, dès lors que le caisson est maintenu pour résister à celui-ci. Le maintien dans le courant des caissons peut être obtenu en solidarisant ceux-ci avec une infrastructure ou une plate-forme de surface, mais également en les reliant au fond sous-marin, de façon fixe ou flexible par un 15 procédé d'haubanage. Des moyens mécaniques peuvent être associés à chaque caisson en le rendant orientable et réglable en profondeur, permettant ainsi la recherche du meilleur rendement selon son implantation dans le milieu naturel ou les variations des courants. 20 Une variante ou une optimisation dans le procédé de génération d'une circulation flux au niveau des caissons consiste à exploiter l'effet dit de Venturi dans la dynamique des fluides. En effet la formation d'une dépression au niveau de la zone où les particules de fluides sont accélérées, c'est à dire à 25 l'endroit où s'opère la réduction de la section de l'évent, peut être exploitée pour forcer une circulation fluide de la turbine de surface vers le caisson, facilitant ainsi la circulation de l'eau en sortie de la turbine, ou bien même en participant activement au procédé de circulation fluide destiné à faire 30 tourner la turbine, si l'ensemble du circuit fonctionne de façon quasi-fermée. Le principe de l'invention de faire circuler l'eau dans des tubes ou des tuyaux permet d'envisager simplement la recherche de profondeurs adaptées à une captation optimale de courants marins 35 ou fluviaux. Cette optimisation est rendue possible de façon simple et expérimentale par la recherche d'une adaptation aux spécificités du milieu naturel, tels que le relief et les -6-i courants sous-marins, mais également facilitée par l'exploitation de règles physiques connues de l'homme de métier. On citera à titre d'exemple les phénomènes de convection naturelle due à la différence de température entre l'eau de surface et celle puisée 5 en profondeur, et la diminution de la pression à mesure que l'on s'approche de la surface. Le flux d'eau ainsi produit est accéléré par rapport à la vitesse du courant le produisant et est ramené en surface au moyen de tubes ou de tuyaux pour faire tourner une turbine, agissant telle une pompe inversée. 10 Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, l'utilisation de tuyaux souples pour la remontée du flux d'eau produit par les caissons permet un arrimage flexible des caissons aussi bien au milieu naturel dans lesquels ils sont implantés, qu'au niveau de la plateforme de surface chargée de produire 15 l'énergie électrique. L'important pour que le procédé de l'invention fonctionne reste que les caissons immergés doivent être maintenus dans les courants d'eau pour résister à leur déplacement. On peut citer à titre d'exemple un maintien par haubanage des caissons sur les fonds marins ou des éléments 20 côtiers. Outre l'allègement des contraintes structurelles d'un tel procédé pour résister aux phénomènes naturels d'amplitude exceptionnelle par rapport à une solution traditionnelle basée sur des infrastructures ou une implantation rigide d'équipements 25 sur sites, de telles possibilités d'éléments reliés par des moyens souples, permettent également de faciliter la réalisation de caissons capables de s'orienter automatiquement selon la variation des flux naturels. L'orientation automatique peut ainsi être provoquée de façon autonome et automatique par des caissons 30 dont la forme est étudiée pour exploiter les effets d'hydrodynamisme, à l'instar de l'effet girouette dans le vent, ou bien être imposée par un asservissement mécanique piloté par un système électronique. Suivant un autre aspect de l'invention, le procédé permet de 35 concevoir un système capable d'exploiter des courants naturels en mouvement alternatif et donc moins adaptés à leur transformation en une circulation fluide unidirectionnelle, à savoir les - 7 '-- phénomènes de marées ainsi que l'énergie marine permanente de faible amplitude de sac et de ressac. Dans les mouvements de marée et de vagues, les courants prédominants agissent de façon alternative dans un même axe mais de façon opposée. Ainsi, dans 5 les cycles lents de marée, un courant prédominant vient du large vers la côte lors de la marée montante et inversement en marée descendante sur des cycles de plusieurs heures. Le second phénomène alternatif de vagues provoque sur un cycle de plusieurs secondes un courant inverse de sac et de ressac. Une mise en 10 oeuvre simple de l'invention consiste à implanter des caissons immergés à double évents disposés de façon opposée, c'est à dire capables de recevoir alternativement dans chaque bouche du caisson les mouvements d'eau naturels alternatifs. L'ajout de volets ou de clapets anti-retour en sortie des caissons 15 permettent un redressement des flux alternatifs en un flux semi continu en sortie des caissons. Ainsi dans le cas du phénomène de sac et de ressac, la simple différence de pression de chaque côté des clapets permet une fermeture et une ouverture automatique de ceux-ci sans pilotage extérieur, conservant le caractère passif 20 des caissons. La figure 2 décrit le procédé de redressement des courants d'eau alternatifs en un flux unidirectionnel à l'aide d'évents en opposition et de volets anti-retour. La figure 2 propose une vue en coupe d'un système ou le caisson immergé (1) est constitué de deux embouchures opposées 25 destinées à capter les flux alternatifs de sac et ressac (4) et (5). Selon le sens du flux en activité, les volets ou clapets anti-retour (2) ou (3) ouvrent ou ferment alternativement les sorties des orifices pour produire un flux redressé unidirectionnel (6) en sortie commune du caisson. 30 En associant cet effet de redressement aux possibilités d'orientation avantageusement des évents de 35 donc capables moment tout instantanée. des caissons précitées, conduire à la réalisation couronne ou en partie captation sur l'intégralité l'invention peut de caissons passifs sphérique, comprenant de sa périphérie et immergés en forme de sans intervention extérieure de capter à tout courant indépendamment de son orientation Un tel système permet de réduire les points - g - d'ancrage ou d'haubanage ou fond de l'eau lorsque cette technique est retenue. La figure 3 décrit une vue schématique d'un tel système, dans lequel un caisson (1) de forme cylindrique est constitué d'orifices sur sa périphérie (2) et destinés à capter 5 tout courant (3) indépendamment de son orientation pour produire une circulation d'eau (6). Un seul point d'ancrage (4) peut suffire pour maintenir un tel dispositif dans le courant en le reliant au fond sous-marin. L'exploitation des flux d'eau accélérée produits par les 10 caissons s'effectue par un système déporté de pompe inversée fonctionnant en turbine, c'est à dire basé sur un modèle de roue à aubes actionnée par la circulation d'eau. Selon l'invention, l'ensemble de turbines peut avantageusement être placée à fleur d'eau ou légèrement en surface pour bénéficier du phénomène 15 physique d'atténuation de la pression par rapport à celle de l'eau sortant des caissons. Un système traditionnel de démultiplication de la force de rotation par engrenages ou courroies permet d'adapter la rotation de la turbine au couple mécanique nécessaire au rendement du système de génération 20 d'électricité. En sortie de turbine, l'eau peut être expulsée simplement en surface, ou être conduite vers un dispositif permettant de faciliter la circulation du flux de turbine. On peut citer à titre d'exemple non exclusif, une expulsion facilitée de l'eau de la turbine en la conduisant à l'aide d'un 25 tuyau vers un caisson immergé, différent ou non du caisson émetteur, permettant d'exploiter l'effet Venturi avec le même procédé de caisson passif que celui décrit dans l'invention mais selon la théorie connue de l'homme de métier de l'effet REVENDICATIONS1. Dispositif pour produire à partir de courants marins ou 5 fluviaux une circulation d'eau destinée à faire tourner un ensemble déporté de turbines associées à un système de génération d'énergie électrique caractérisé en ce qu'il comporte : - une enceinte ou un ensemble de caissons immergés maintenus pour résister aux courants et munis d'évents pour capter les 10 courants d'eau en quelconque profondeur ; - chaque orifice ou évent est constitué d'une cavité se rétrécissant et dont la forme constitue un entonnoir afin de provoquer en sortie de celui-ci une circulation fluide accélérée par rapport au courant d'entrée captée dans sa partie évasée ; 15 - la circulation d'eau produite au niveau des dispositifs immergés est acheminée en surface dans des tubes ou des tuyaux, pour alimenter un système de turbines, ces dernières entrainant un système de génération électrique grâce à un système de transmission. 20 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caissons immergés peuvent être maintenus par des moyens souples dans les flux d'eau de façon flexible, orientable et réglable en profondeur de telle sorte qu'ils puissent capter au 25 mieux dans leurs orifices d'entrée les courants d'eau. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caissons immergés puissent être munis d'un ou de plusieurs orifices d'entrée de façon à 30 pouvoir capter par auto orientation toute variation des flux sous-marins, incluant l'exploitation des phénomènes de sac et de ressac des marées. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs de captation et d'accélération d'eau des caissons immergés soient munis de volets ou de clapets anti-retour, destinés à redresser les mouvements alternatifs d'eau pour produire une circulation d'eau de façon unidirectionnelle plus régulière, notamment dans le cas de l'exploitation des phénomènes de marée ou des mouvements de sac et de ressac. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 5 que les caissons immergés soient maintenus dans les courants d'eau, ainsi que les éléments constitutifs entre eux, de façon non rigide, telle que par des techniques de haubanages. 6. Ensemble de production d'énergie comprenant un dispositif 10 selon l'une des revendications précédentes et une turbine caractérisé en ce que l'utilisation de l'énergie cinétique des flux d'eau pour produire une énergie de rotation au niveau de la turbine, est facilitée par l'acheminement de l'eau de sortie de celle-ci à l'aide de tuyau vers des caissons immergés exploitant 15 l'effet Venturi. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de circulation d'eau soit muni de volets ou de clapets anti-retour, destinés notamment à faciliter 20 l'acheminement de l'eau en surface.