Brevet FR3141511A1 — publié le 20240503

Les systèmes et procédés de la présente divulgation concernent la génération d’électricité en pompant un fluide (114) dans un conduit thermoélectrique (106) qui s’étend dans un réservoir géothermique (105). Un procédé comporte le pompage de fluide dans au moins un conduit thermoélectrique qui s’étend dans le réservoir géothermique. Le procédé comporte en outre la génération d’électricité avec le conduit thermoélectrique en raison d’un différentiel de température entre le fluide et le réservoir géothermique. Génération d’électricité directe en fond de trou dans un puits géothermique CONTEXTE L’énergie renouvelable comporte l’énergie géothermique telle que la chaleur qui est continuellement générée à l’intérieur du noyau terrestre. L’énergie géothermique est un élément important de la transition vers une énergie renouvelable et propre. Elle peut remplacer l’énergie nucléaire et les combustibles fossiles pour la génération d’électricité. Les efforts actuels en matière d’énergie géothermique se concentrent principalement sur la manière d’extraire l’énergie géothermique d’une formation souterraine et de transporter l’énergie géothermique vers des centrales électriques pour générer de l’électricité ou à d’autres fins (par exemple, eau chaude, chauffage). Le processus typique comporte le pompage d’eau froide dans une zone chaude de la formation souterraine, la remontée de l’eau chauffée à la surface, puis le transport de l’eau chaude ou de la vapeur vers des centrales électriques pour générer de l’électricité. Une quantité importante de chaleur est perdue lors du transport de surface, en raison de l’infrastructure associée. Ces dessins illustrent certains aspects de certains exemples de la présente divulgation et ne doivent pas être utilisés pour limiter ou définir la divulgation. La illustre un environnement de fonctionnement pour générer de l’électricité en fond de trou à l’aide de l’énergie géothermique, selon des exemples de la présente divulgation ; La illustre une vue en coupe transversale d’un conduit thermoélectrique, selon des exemples de la présente divulgation ; La illustre une vue en coupe transversale d’un réservoir géothermique qui comporte de multiples conduits en forme de U connectés dans des configurations d’écoulement parallèles, selon des exemples de la présente divulgation ; La illustre une vue latérale de conduit(s) hélicoïdal/aux, selon des exemples de la présente divulgation ; La illustre une vue en coupe transversale du réservoir géothermique qui comporte de multiples conduits hélicoïdaux, selon des exemples de la présente divulgation ; La illustre une vue en coupe transversale du réservoir géothermique qui comporte un premier conduit disposé dans un second conduit, selon des exemples de la présente divulgation ; et La illustre une séquence de fonctionnement pour générer de l’électricité souterraine avec un ou des conduits thermoélectriques, selon des exemples de la présente divulgation. DESCRIPTION DÉTAILLÉE La présente divulgation concerne la génération d’électricité en fond de trou à l’aide d’énergie géothermique. Plus précisément, l’étape de transport de chaleur de fond de trou vers des centrales électriques est éliminée pour améliorer un taux de conversion d’énergie et réduire davantage une empreinte carbone. Un dispositif/matériau thermoélectrique peut être mis en œuvre pour générer de l’électricité en raison d’un différentiel de température (par exemple, 5º à 10º) à travers le dispositif. Dans les applications d’énergie géothermique, le différentiel de température à travers le matériau thermoélectrique peut être relativement constant ou autrement maintenu. Dans certains exemples, un flux continu d’électricité peut être produit via un conduit/tuyau thermoélectrique qui comporte un diamètre externe (DE) exposé à une source de chaleur (par exemple, un réservoir géothermique) et un diamètre interne (DI) exposé à un froid source (par exemple, l’eau). Dans certains exemples, un tuyau thermoélectrique peut être au moins partiellement constitué d’un matériau thermoélectrique. Dans certains exemples, le matériau thermoélectrique peut comporter un revêtement et/ou un placage. Dans certains exemples, le matériau thermoélectrique peut être intégré dans un tubage. Dans certains exemples, le matériau thermoélectrique peut être inclus/intégré à un autre métal tel que l’acier par exemple. Dans certains exemples, le matériau thermoélectrique peut être inclus dans toute la longueur du conduit. Dans d’autres exemples, le matériau thermoélectrique peut être inclus dans au moins 5 pieds, dans au moins 10 pieds, dans au moins 15 pieds ou dans au moins 20 pieds du conduit. Dans certains exemples, la source froide peut être au moins 5° ou au moins 10° plus froide que la source de chaleur. La source de chaleur peut être, par exemple, au moins 5° ou au moins 10° plus chaude que la source froide. Le conduit thermoélectrique peut être placé dans un réservoir de chaleur (par exemple, un puits géothermique), et de l’eau froide peut être pompée dans le conduit thermoélectrique pour maintenir une température froide sur le diamètre interne du conduit. Le diamètre externe du conduit peut rester chaud en raison de la source de chaleur illimitée du puits géothermique (dans sa durée de vie de production). Le différentiel de température entre les côtés chaud et froid du conduit/tuyau entraîne la génération continue d’électricité avec l’écoulement continu d’eau froide à travers le conduit. Lorsque le fluide chaud autour du tuyau thermoélectrique se refroidit en raison du transfert d’énergie, une convection se produit et le fluide plus froid tombe au fond du puits, où une source de chaleur constante existe. Le fluide chaud du fond du puits/zone remonte à la surface du puits. Le fluide froid peut être pompé dans un puits et une quantité minimale d’énergie est nécessaire pour maintenir l’écoulement. Le conduit thermoélectrique utilise un différentiel de température intégré pour générer de l’électricité. Aucune pièce mobile ne permet d’améliorer la durabilité. De plus, il n’est pas nécessaire d’amener la chaleur de la formation souterraine à la surface, ce qui permet de réduire l’empreinte carbone des puits géothermiques. Pour augmenter la production d’électricité, la surface du tuyau thermoélectrique peut être augmentée. Par exemple, plusieurs tuyaux en forme de U peuvent être connectés dans des configurations d’écoulement parallèle, où de multiples tuyaux thermoélectriques en forme de U se trouvent dans un réservoir de chaleur souterrain unique. Des tuyaux de forme hélicoïdale pour augmenter la surface de chaque générateur thermoélectrique peuvent également être utilisés. De multiples tuyaux thermoélectriques de forme hélicoïdale peuvent être connectés de sorte que l’écoulement à travers ceux-ci est également parallèle. Dans certains exemples, les tuyaux thermoélectriques de forme hélicoïdale peuvent être connectés séparément ou les uns à l’intérieur des autres. Les connexions parallèles permettent d’augmenter la production d’électricité. La illustre un exemple d’un système de puits 100 pour générer de l’électricité en fond de puits à l’aide de l’énergie géothermique, selon des exemples de la présente divulgation. Le système de puits 100 peut comporter un puits de forage 102 formé dans une formation souterraine 104. Le puits de forage 102 peut être un puits de forage vertical comme illustré ou il peut être un puits horizontal et/ou directionnel. Alors que le système de puits 100 peut être illustré comme étant basé à terre, il faut comprendre que les présentes techniques peuvent également être applicables dans des applications offshore. La formation souterraine 104 peut être composée de plusieurs couches géologiques et comporter un ou plusieurs réservoirs géothermiques 105 avec des températures allant par exemple de 70 °F à 350 °F ou plus. Un conduit 106 peut s’étendre à travers le puits de forage 102 depuis la surface 108. Le conduit 106 peut comporter une entrée 110 et une sortie 112 à la surface 108. Le conduit 106 peut s’étendre vers le bas depuis l’entrée 110, à travers le ou les réservoirs géothermiques 105, et remonter jusqu’à la surface 108 via la sortie 112. Une pompe 113 peut être couplée à l’entrée 110 pour pomper le fluide 114 dans le conduit 106. Une source de fluide 115 peut fournir le fluide 114 à la pompe 113 via un tuyau 116. Le fluide 114 peut sortir du conduit 106 depuis la sortie 112 pour être recyclé dans le conduit 106, ou pour un traitement ultérieur. Avec référence supplémentaire à la (une vue en coupe transversale du conduit 106), le conduit 106 peut être constitué d’un matériau thermoélectrique 107 (par exemple, du tellurure de bismuth). Un effet Seebeck génère une tension avec le matériau thermoélectrique 107 à partir d’une différence de température rencontrée dans la formation souterraine (par exemple, de l’eau froide pompée entrant en contact avec la zone géothermique souterraine chaude). Le diamètre interne du conduit 106 a une température inférieure en raison du fluide de refroidissement pompé 114 qui est en contact avec le diamètre interne. Le diamètre externe du conduit 106 a une température plus élevée en raison du réservoir géothermique 105. Le fluide 114 peut comporter de l’eau froide ou de l’eau à température ambiante, ou de l’eau qui est au moins 5 ºF ou au moins 10 ºF plus froide que le ou les réservoirs géothermiques 105. La différence de température est suffisante pour produire de l’énergie via le matériau thermoélectrique 107. En se référant à nouveau à la , un ou plusieurs câbles 118 (par exemple, des fils) peuvent s’étendre depuis le conduit 106 pour transférer l’électricité générée depuis le conduit 106 vers un réseau électrique 120 et/ou une batterie 122, par exemple. L’eau froide peut être pompée dans le conduit thermoélectrique 106 pour maintenir une température froide sur le diamètre interne du tuyau. Le diamètre externe du tuyau peut rester chaud en raison de la source de chaleur illimitée du puits géothermique (dans sa durée de vie de production). Le différentiel de température entre les côtés chaud et froid du tuyau entraîne la génération continue d’électricité avec un écoulement continu d’eau froide. Lorsque le fluide chaud autour du tuyau thermoélectrique se refroidit un peu en raison du transfert d’énergie, une convection se produit et le fluide plus froid tombe au fond du puits, où une source de chaleur constante existe. Le fluide chaud du fond du puits/zone remonte jusqu’à la surface 108. Le fluide froid peut être pompé vers le bas, mais peu d’énergie est nécessaire pour maintenir l’écoulement. Le tuyau thermoélectrique utilise un différentiel de température intégré pour générer de l’électricité. Aucune pièce mobile ne permet d’améliorer la durabilité. De plus, il n’est pas nécessaire d’amener la chaleur de la formation souterraine à la surface, ce qui permet de réduire l’empreinte carbone des puits géothermiques. Pour augmenter la production d’électricité, la surface du conduit 106 peut être augmentée. La illustre une vue en coupe transversale (par exemple, vue de dessus) du réservoir géothermique 105 qui comporte de multiples conduits en forme de U 106 connectés dans des configurations d’écoulement parallèle, selon des exemples de la présente divulgation. Par exemple, les multiples conduits en forme de U 106 sont connectés dans des configurations d’écoulement parallèle dans un réservoir de chaleur souterrain unique (par exemple, le réservoir géothermique 105), pour augmenter la production d’électricité. Les multiples conduits en forme de U 106 augmentent la surface pour le matériau thermoélectrique permettant une augmentation de la génération d’électricité. Chaque conduit 106 comporte une entrée 110 et une sortie 112, comme indiqué précédemment. La illustre une vue latérale du ou des conduits hélicoïdaux 106, selon des exemples de la présente divulgation. La forme hélicoïdale est incluse pour augmenter la surface du matériau thermoélectrique dans le conduit 106. Dans certains exemples, une pluralité de conduits hélicoïdaux 106 peuvent être connectés à l’intérieur d’un réservoir géothermique. Le fluide 114 peut être pompé vers le bas du conduit hélicoïdal 106 via une entrée 110 et remonter vers la surface à travers un tuyau non hélicoïdal 300 (ou un autre conduit hélicoïdal) et à travers la sortie 112, par exemple. La forme hélicoïdale est incluse pour augmenter la production d’électricité. La illustre une vue en coupe transversale (par exemple, une vue de dessus) du réservoir géothermique 105 qui comporte de multiples conduits hélicoïdaux 106, selon des exemples de la présente divulgation. Les conduits hélicoïdaux 106 peuvent être connectés de sorte que l’écoulement à travers ceux-ci est également parallèle pour une surface accrue (c’est-à-dire une génération d’électricité accrue). Chaque conduit 106 comporte une entrée 110 et une sortie 112, comme indiqué précédemment. La illustre une vue en coupe transversale (par exemple, une vue de dessus) du réservoir géothermique 105 qui comporte des conduits hélicoïdaux 106a et 106b qui sont disposés l’un à l’intérieur de l’autre, selon des exemples de la présente divulgation. Les connexions parallèles dans le réservoir géothermique 105 dues à cette configuration permettent une production d’électricité accrue. Chacun des conduits 106a et 106b comporte une entrée 110 et une sortie 112, comme indiqué précédemment. Comme représenté, un premier conduit 106a (par exemple, de plus petite taille) est disposé dans un second conduit 106b (par exemple, de plus grande taille). L’ensemble du conduit 106a est disposé dans l’entrée 110 du second conduit 106b. Cette configuration augmente la surface du conduit pour améliorer la génération d’électricité. La illustre une séquence opératoire pour produire de l’électricité dans une formation souterraine avec des conduits thermoélectriques s’étendant dans un réservoir géothermique, selon des exemples de la présente divulgation. À l’étape 600, le fluide est pompé de la surface dans un conduit qui s’étend dans un réservoir géothermique souterrain (par exemple, voir la ). Le conduit peut comporter une forme pour maximiser la surface afin d’augmenter la production d’électricité. Par exemple, le ou les conduits peuvent comporter au moins un tuyau en forme de U (par exemple, voir les figures 1A et 2), au moins un tuyau hélicoïdal (par exemple, voir les figures 3 et 4), et/ou au moins un tuyau disposé à l’intérieur d’un autre tuyau (par exemple, voir la ). Dans certains exemples, la configuration des tuyaux peut comporter des configurations excentriques, concentriques et/ou coaxiales. À l’étape 602, le différentiel de température entre le fluide et le réservoir géothermique génère de l’électricité. L’effet Seebeck génère la tension avec le matériau thermoélectrique à partir de la différence de température rencontrée dans la formation souterraine (par exemple, l’eau froide pompée entrant en contact avec la zone géothermique souterraine chaude). Le diamètre interne du conduit a une température plus basse en raison du fluide de refroidissement pompé qui est en contact avec le diamètre interne (par exemple, voir la ). Le diamètre externe du conduit a une température plus élevée en raison du réservoir géothermique. Le fluide peut comporter de l’eau froide ou de l’eau à température ambiante, ou de l’eau dont la température est au moins 5 ºF ou au moins 10 ºF plus froide que le ou les réservoirs géothermiques. La différence de température est suffisante pour produire de l’énergie via le matériau thermoélectrique. À l’étape 604, l’électricité générée est récupérée en surface. Par exemple, un ou plusieurs câbles (par exemple, des fils) peuvent s’étendre à partir du conduit pour transférer l’électricité générée du conduit vers un réseau électrique et/ou une batterie (par exemple, voir la ). Par conséquent, les systèmes et procédés de la présente divulgation permettent de générer de l’électricité en fond de trou à l’aide de l’énergie géothermique. Les systèmes et procédés peuvent comporter l’une quelconque des diverses caractéristiques divulguées ici, y compris un ou plusieurs des énoncés suivants. Énoncé 1. Un procédé comprenant : le pompage de fluide dans au moins un conduit thermoélectrique, le conduit thermoélectrique s’étendant dans un réservoir géothermique ; et la génération d’électricité avec le conduit thermoélectrique en raison d’un différentiel de température entre le fluide et le réservoir géothermique. Énoncé 2. Le procédé selon l’énonce 1, comprenant en outre la récupération du fluide hors du conduit thermoélectrique. Énoncé 3. Le procédé selon l’énoncé 1 ou l’énoncé 2, comprenant en outre la récupération d’électricité à une surface d’un puits, le conduit thermoélectrique s’étendant dans le puits. Énoncé 4. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 3, dans lequel le fluide comporte de l’eau. Énoncé 5. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 4, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme en U pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 6. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 5, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme hélicoïdale pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 7. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 6, dans lequel un premier conduit thermoélectrique est disposé dans un second conduit thermoélectrique pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 8. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 7, dans lequel une température du fluide est inférieure à une température du réservoir géothermique. Énoncé 9. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 8, dans lequel un diamètre interne du conduit thermoélectrique est plus froid qu’un diamètre externe du conduit thermoélectrique. Énoncé 10. Le procédé selon l’un quelconque des énoncés 1 à 9, dans lequel un premier conduit thermoélectrique est disposé dans une entrée d’un second conduit thermoélectrique pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 11. Un système comprenant : un conduit thermoélectrique s’étendant dans un réservoir géothermique ; et une source de fluide et une pompe en communication avec le conduit thermoélectrique. Énoncé 12. Le système selon l’énoncé 11, dans lequel le conduit thermoélectrique est disposé dans un puits de forage. Énoncé 13. Le système selon les énoncés 11 ou l’énoncé 12, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme en U pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 14. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 13, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme hélicoïdale pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 15. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 14, dans lequel un premier conduit thermoélectrique est disposé dans un second conduit thermoélectrique pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 16. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 15, dans lequel un diamètre interne du conduit thermoélectrique est plus froid qu’un diamètre externe du conduit thermoélectrique. Énoncé 17. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 16, dans lequel un premier conduit thermoélectrique est disposé dans une entrée d’un second conduit thermoélectrique pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Énoncé 18. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 17, dans lequel le fluide comporte de l’eau. Énoncé 19. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 18, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une entrée à une surface d’un puits. Énoncé 20. Le système selon l’un quelconque des énoncés 11 à 19, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une sortie à une surface d’un puits. Bien que la présente divulgation et ses avantages aient été décrits en détail, il faut comprendre que divers changements, substitutions et altérations peuvent y être apportés sans s’écarter de l’esprit et de la portée de la divulgation telle que définie par les revendications annexées. La description précédente fournit divers exemples des systèmes et procédés d’utilisation divulgués ici qui peuvent contenir différentes étapes de procédé et des combinaisons de composants alternatives. Il faut comprendre que, bien que des exemples individuels puissent être discutés ici, la présente divulgation couvre toutes les combinaisons des exemples divulgués, y compris sans limitation, les différentes combinaisons de composants, les combinaisons d’étapes de procédé et les propriétés du système. Il faut comprendre que les compositions et les procédés sont décrits comme « comprenant », « contenant » ou « comportant » divers composants ou étapes, et les compositions et les procédés peuvent également « se composer essentiellement » ou « être constitués » des différents composants et étapes. Par souci de brièveté, seules certaines plages sont explicitement divulguées ici. Cependant, des plages allant de toute limite inférieure peuvent être combinées à une quelconque limite supérieure pour citer une plage non explicitement citée, de même, des plages allant de toute limite inférieure peuvent être combinées à toute autre limite inférieure afin de citer une plage non explicitement citée, de la même manière, des plages de toute limite supérieure peuvent être combinées à toute autre limite supérieure pour citer une plage non explicitement citée. En outre, chaque fois qu’une plage numérique avec une limite inférieure et une limite supérieure est divulguée, tout nombre et toute plage incluse compris dans la plage sont spécifiquement divulgués. En particulier, chaque plage de valeurs (de la forme, « d’environ a à environ b », ou, de manière équivalente, « approximativement de a à b » ou, de manière équivalente, « approximativement d’a-b ») divulguée ici doit être comprise comme énonçant chaque nombre et chaque plage compris dans la plage de valeurs plus large, même si elles ne sont pas explicitement citées. Ainsi, chaque point ou valeur individuelle peut constituer sa propre limite inférieure ou supérieure combinée à tout autre point ou valeur individuelle ou à toute autre limite inférieure ou supérieure, pour citer une plage non explicitement citée. Par conséquent, les présents exemples sont bien adaptés pour atteindre les objectifs et les avantages mentionnés, ainsi que ceux qui y sont inhérents. Les exemples particuliers divulgués ci-dessus sont uniquement illustratifs et peuvent être modifiés et mis en pratique de manières différentes mais équivalentes évidentes pour l’homme du métier ayant le bénéfice des enseignements contenus ici. Bien que des exemples individuels soient discutés, l’invention couvre l’ensemble des combinaisons de tous les exemples. En outre, aucune limitation n’est prévue pour les détails d’élaboration ou de conception fournis ici, autres que ceux décrits dans les revendications ci-dessous. De plus, les termes des revendications ont un sens simple et ordinaire, sauf indication contraire explicite et claire définie par le titulaire du brevet. Il est donc évident que les exemples illustratifs particuliers divulgués ci-dessus peuvent être altérés ou modifiés et que toutes ces variantes sont considérées comme étant dans la portée et l’esprit de ces exemples. En cas de conflit dans les utilisations d’un mot ou d’un terme de la présente description et d’un ou de plusieurs brevets ou autres documents, les définitions compatibles avec la présente description doivent être adoptées. Procédé comprenant : le pompage de fluide (114) dans au moins un conduit thermoélectrique (106), le conduit thermoélectrique s’étendant dans un réservoir géothermique (105) ; et la génération d’électricité avec le conduit thermoélectrique en raison d’un différentiel de température entre le fluide et le réservoir géothermique. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la récupération du fluide hors du conduit thermoélectrique et éventuellement, comprenant en outre la récupération d’électricité à une surface d’un puits, le conduit thermoélectrique s’étendant dans le puits. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le fluide comporte de l’eau. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme en U pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme hélicoïdale pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Procédé selon la revendication 1, dans lequel un premier conduit thermoélectrique (106a) est disposé dans un second conduit thermoélectrique (106b) pour maximiser la surface pour la génération d’électricité et éventuellement, dans lequel une température du fluide est inférieure à une température du réservoir géothermique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel un diamètre interne du conduit thermoélectrique est plus froid qu’un diamètre externe du conduit thermoélectrique et éventuellement, dans lequel un premier conduit thermoélectrique (106a) est disposé dans une entrée (110) d’un second conduit thermoélectrique (106b) pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Système comprenant : un conduit thermoélectrique (106) s’étendant dans un réservoir géothermique (105) ; et une source de fluide (115) et une pompe (113) en communication avec le conduit thermoélectrique. Système selon la revendication 8, dans lequel le conduit thermoélectrique est disposé dans un puits de forage et éventuellement, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme en U pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Système selon la revendication 9, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une forme hélicoïdale pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Système selon la revendication 9, dans lequel un premier conduit thermoélectrique (106a) est disposé dans un second conduit thermoélectrique (106b) pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Système selon la revendication 9, dans lequel un diamètre interne du conduit thermoélectrique est plus froid qu’un diamètre externe du conduit thermoélectrique. Système selon la revendication 9, dans lequel un premier conduit thermoélectrique (106a) est disposé dans une entrée (110) d’un second conduit thermoélectrique (106b) pour maximiser la surface pour la génération d’électricité. Système selon la revendication 9, dans lequel le fluide comporte de l’eau. Système selon la revendication 9, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une entrée à une surface d’un puits et éventuellement, dans lequel le conduit thermoélectrique comporte une sortie à une surface d’un puits.