INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Enfin, l’unité de traitement de signal 30 peut être constituée par un module informatique noté PC, qui héberge un programme approprié de traitement du signal de détection délivré par le photodétecteur 22. L’unité de traitement de signal 30 fournit en sortie une évaluation de la composante de vitesse des particules rétro-diffusantes qui sont dans la zone de focalisation ZF, cette composante étant parallèle à la direction centrale de propagation A-A et notée V A-A .
Le fonctionnement d’un tel système LIDAR pour réaliser des mesures de vitesse anémométrique est très connu de l’Homme du métier, si bien qu’il n’est pas nécessaire de le répéter ici. Le système est orienté et le demi-angle de divergence θ ajusté pour que la zone de focalisation ZF soit dans une portion de l’atmosphère où la vitesse du vent est à mesurer. Les particules qui rétrodiffusent le faisceau F sont alors des poussières, microcristaux ou gouttelettes d’aérosol qui sont en suspension dans l’atmosphère à l’intérieur de la zone de focalisation ZF. La structure de l’optique de sortie 18, et sa commande lorsqu’elle permet un ajustement variable du demi-angle de divergence θ, peut fournir une évaluation de la distance d’éloignement d’un centre de la zone de focalisation ZF par rapport au système LIDAR, correspondant alors à la distance D qui a été introduite précédemment.
Pour l’invention, la voie d’émission 10 comprend en outre des moyens de modulation supplémentaires, qui sont adaptés pour varier la fréquence optique du rayonnement à l’intérieur de chacune des impulsions telles que formées par le modulateur acousto-optique 14. Par exemple, ces moyens supplémentaires de modulation de fréquence peuvent être constitués par un modulateur électro-optique 12, noté MEO, avec une unité de commande appropriée de celui-ci, désignée par la référence 40, notée CTRL et appelée contrôleur de modulation. Ils peuvent être insérés entre la source laser 11 et le modulateur acousto-optique 14. Dans différents modes de réalisation de l’invention, ces moyens de modulation de fréquence peuvent être disposés en amont ou en aval du coupleur optique 13 qui réalise le prélèvement du rayonnement de référence F REF . On supposera dans la suite qu’ils sont disposés en amont du coupleur optique 13 par rapport au sens de propagation du rayonnement dans la voie d’émission 10, et l’Homme du métier saura adapter la description qui suit au cas d’une disposition des moyens supplémentaires de modulation en aval du coupleur optique 13.
Par exemple, le contrôleur de modulation 40 est configuré pour que le modulateur acousto-optique 14 découpe le rayonnement qui est produit initialement par la source laser 11 en impulsions successives de durées individuelles égales à 1 µs (microseconde), et pour que le modulateur électro-optique 12 applique une augmentation linéaire de la fréquence optique du rayonnement à l’intérieur de chaque impulsion, de 0 MHz (mégahertz) environ en début d’impulsion à 500 MHz environ en fin d’impulsion. La pente p de variation de la fréquence optique est alors égale à +0,500 MHz/ns (mégahertz par nanoseconde). La partie des impulsions produites par la voie d’émission 10 qui est rétrodiffusée dans la zone de focalisation ZF parvient alors au photodétecteur 22 avec un retard de propagation par rapport au rayonnement de référence F REF , ce retard correspondant à la durée de propagation aller-retour entre l’optique d’émission 18 et la zone de focalisation ZF. Du fait de la modulation de fréquence introduite selon l’invention, elle présente alors une première contribution de décalage fréquentiel par rapport au rayonnement de référence F REF , qui est égal à -p·2·D/C, où C est la vitesse de propagation du rayonnement à l’extérieur du système LIDAR entre l’optique de sortie 18 et la zone de focalisation ZF. Cette première contribution de décalage fréquentiel est notée Δf 1 dans la suite. De façon connue, la composante V A-A de la vitesse des particules rétro-diffusantes qui sont contenues dans la zone de focalisation ZF, cette composante étant parallèle à la direction centrale de propagation A-A, produit une seconde contribution de décalage fréquentiel, notée Δf 2 et égale à 2·V A-A /λ, lorsque la vitesse anémométrique V A-A est orientée comme indiquée dans . Pour le mode de réalisation de l’invention de , les deux contributions Δf 1 et Δf 2 s’additionnent pour constituer la fréquence du signal de détection hétérodyne qui est délivré par le photodétecteur 22. Elles s’additionnent aussi au décalage fréquentiel constant qui est éventuellement produit par le modulateur acousto-optique 14.
et indiquent les fréquences des composantes spectrales du signal de détection hétérodyne, en fonction du temps à l’intérieur de chaque impulsion. Pour chaque spectrogramme, l’axe horizontal repère le temps, noté t et exprimé en microsecondes (µs), l’axe vertical repère la fréquence, notée f et exprimée en mégahertz (MHz), et l’échelle de tons à droite de chaque spectrogramme repère la puissance spectrale instantanée, notée P i et exprimée en décibels (dB) par rapport à un niveau de base relatif au bruit. Pour le spectrogramme de , l’optique de sortie 18 est ajustée pour que la distance d’éloignement D de la zone de focalisation ZF soit égale à 15 m (mètre). La longueur 2·l R de cette zone de focalisation ZF est alors égale à 90 cm (centimètre). Pour le spectrogramme de : D est égale à 30 m et 2·l R est égale à 3,5 m. Les valeurs numériques des autres paramètres du système LIDAR sont celles déjà citées, identiques pour les deux spectrogrammes, hormis la valeur du décalage fréquentiel constant qui est produit par le modulateur acousto-optique 14 et qui est nulle. Les deux composantes du signal de détection hétérodyne qui apparaissent dans chaque spectrogramme correspondent respectivement à une rétro-réflexion partielle des impulsions sur l’optique de sortie 18, désignée par «Narcisse» dans les spectrogrammes et appelée signal Narcisse, et à la partie des impulsions qui a été rétrodiffusée dans la zone de focalisation ZF, désignée par «Mes» et appelée signal de mesure. Le signal Narcisse correspond à D=0 et f=0, puisqu’il ne présente pas de retard de propagation qui soit significatif lors de son arrivée sur le photodétecteur 22 par rapport au rayonnement de référence F REF , ni d’effet Doppler. Le signal de mesure parvient au photodétecteur 22 avec un retard Δt égal à 2·D/C par rapport au signal Narcisse, et présente une fréquence f qui est décalée de la première contribution Δf 1 en l’absence de vent dans la zone de focalisation ZF. Pour les conditions d’utilisation adoptées, le retard Δt est égal à 0,10 µs pour et à 0,20 µs pour , et Δf 1 est égal à 50 MHz pour et à 100 MHz pour . L’instant initial (t=0) dans ces deux spectrogrammes correspond au début de la détection de la partie rétrodiffusée de l’impulsion de rayonnement. En outre, la largeur spectrale du signal de mesure est supérieure pour par rapport à , à cause de la zone de focalisation ZF qui est beaucoup plus longue pour .
L’unité de traitement de signal 30 calcule une transformation de Fourier par rapport au temps du signal de détection hétérodyne qui est délivré par le photodétecteur 22. Elle extrait ensuite, par exemple en appliquant un filtrage adaptatif numérique, le signal de mesure dans le spectre du signal de détection hétérodyne, et détermine la fréquence f de ce signal de mesure. De façon générale, cette fréquence f est égale à Δf 0 + Δf 1 + Δf 2 , où Δf 0 est le décalage fréquentiel constant à l’intérieur de toutes les impulsions qui est produit par le modulateur acousto-optique 14, le cas échéant. Lorsque la distance d’éloignement D est connue par ailleurs, notamment par l’ajustement de la focalisation de l’optique de sortie 18, la contribution de décalage fréquentiel Δf 1 est calculée par Δf 1 =-p·2·D/C, et les deux contributions Δf 0 et Δf 1 sont retranchées à la valeur déterminée pour la fréquence f du signal de mesure. Le résultat de cette soustraction est la contribution de décalage fréquentiel Δf 2 qui correspond à l’effet Doppler, et la composante de la vitesse du vent dans la zone de focalisation ZF, parallèlement à la direction centrale de propagation A-A, est calculée par l’unité de traitement de signal 30 selon la formule : V A-A =λ·Δf 2 /2.
A l’étape E301, le contrôleur commande l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds par une liaison radio dans une seconde bande de fréquence différente de la première bande de fréquence. Un exemple de l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds est donné en .
A l’étape E302, le contrôleur vérifie si l’établissement de la seconde interconnexion crée deux chemins pour le transfert de données entre deux nœuds du réseau maillé formant une boucle et dans l’affirmative commande l’interruption au niveau logique du transfert de données entre les deux nœuds du réseau maillé sur un des deux chemins. Il est à remarquer ici qu‘aucun des deux chemins physiques n’est supprimé.
A l’étape E303, le contrôleur commande la suppression de la première interconnexion lorsque la seconde interconnexion est établie. Un exemple de la suppression de la première interconnexion entre le premier et le second nœuds est donné en .
A l’étape E304, le contrôleur commande l’établissement, lorsque la première interconnexion est supprimée, d’une troisième interconnexion entre le premier et le quatrième nœuds par une liaison radio dans la première bande de fréquence. Un exemple de l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds est donné en .
A l’étape E305, le contrôleur vérifie si l’établissement de la seconde interconnexion crée deux chemins pour le transfert de données entre deux nœuds du réseau maillé, et dans l’affirmative commande l’interruption du transfert de données entre les deux nœuds du réseau maillé sur un des deux chemins.
A l’étape E306, le contrôleur commande la suppression de la seconde interconnexion lorsque la troisième interconnexion est établie. Un exemple de l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds est donné en .
La illustre un exemple d’un procédé exécuté selon un second mode de réalisation.
Selon le second mode de réalisation, l’interconnexion entre le premier nœud 100e et le second nœud 100f doit être remplacée par une interconnexion entre le premier nœud 100e avec le quatrième nœud 100b en utilisant de manière temporaire un autre canal radio du quatrième nœud. Le quatrième nœud est appelé par la suite troisième nœud 100b.
A l’étape E310, le contrôleur sélectionne un nœud temporaire, par exemple le troisième nœud 100b.
Les nœuds du sous-réseau d’acheminement sont connectés les uns aux autres grâce à une structure maillée en forme d’arbre, le premier nœud sert de relais entre des nœuds de niveau hiérarchique supérieur dans l’arbre et des nœuds de niveau hiérarchique inférieur dans l’arbre et le troisième et le quatrième nœuds sont différents des nœuds de niveau hiérarchique inférieur pour lesquels le premier nœud sert de relai.
Dans un réseau maillé en forme d’arbre, un groupe ou une branche de nœuds peut être défini lorsque ces nœuds sont reliés par un backhaul sans-fil, et que l’un des nœuds du groupe est connecté à un autre groupe via un réseau backhaul Ethernet. Dans un même groupe de nœuds, le réseau backhaul sans-fil utilise le même canal pour toutes les interconnexions entre les nœuds du groupe.
A l’étape E311, le contrôleur commande l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds par une liaison radio dans une seconde bande de fréquence différente de la première bande de fréquence. Un exemple de l’établissement d’une seconde interconnexion entre le premier et le troisième nœuds est donné en .
A l’étape E312, le contrôleur vérifie si l’établissement de la seconde interconnexion crée deux chemins pour le transfert de données entre deux nœuds du réseau maillé formant une boucle et dans l’affirmative commande l’interruption au niveau logique du transfert de données entre les deux nœuds du réseau maillé sur un des deux chemins. Il est à remarquer ici qu’aucun des deux chemins physiques n’est supprimé.
Autre facteur important à prendre en compte lors de la mise en œuvre de la décarbonation du processus UCG, les hautes températures associées à ce processus. Les températures de gazéification aérienne du charbon dépassent habituellement les 1000 °C. Les températures de combustion souterraine sont généralement plus froides en raison de l’afflux d’eau souterraine, mais peuvent encore dépasser les 600 °C. La recherche sur la chaleur souterraine générée dans la veine de charbon et les couches environnantes s’est largement concentrée sur les processus thermodynamiques et les impacts sur la qualité et la thermomécanique du gaz de synthèse, plutôt que sur l’utilisation de la chaleur comme source d’énergie. Néanmoins, quelques études ont prédit que la température élevée dans la veine de charbon et dans les couches environnantes y restera longtemps, comme l’illustre schématiquement le graphe de température présenté sur la , qui est extrait de [6].
La chaleur produite par la combustion du charbon représente une énorme quantité d’énergie, avec des températures autour de 600 °C dans la cavité. Par exemple, pour un charbon bitumineux moyennement volatil avec un pouvoir calorifique de 32 MJ/kg, avec une épaisseur de veine de 4 m et une superficie de 1 km 2 , on estime que 5,4 mégatonnes de charbon sont disponibles avec une énergie thermique potentielle totale de 174,1 pétajoules (en supposant une veine de charbon continue avec une masse volumique de 1350 kg/m 3 ). Après application d’une réduction de 50 % pour le charbon non brûlé (inaccessible et laissé pour le support du plafond), et une efficacité de capture d’énergie thermique en énergie électrique même de seulement 2‰, cela équivaut à environ 48 GWh ou un équivalent de 28 235 barils de pétrole. Cette quantité d’énergie est suffisante pour de grosses applications industrielles.
Si l’on considère que cet exemple ne reflète qu’une très petite partie des veines de charbon disponibles qui peuvent être ciblées pour une gazéification souterraine du charbon propre et verte, il est évident qu’une énorme quantité d’énergie pourrait être exploitée avec des émissions minimales. Plusieurs solutions technologiques ont été proposées pour collecter une partie de la chaleur produite par le processus de combustion. À cet égard, [7] a proposé la circulation d’eau dans un tube de refroidissement dans le puits de production, avec un double usage final : refroidissement du puits de production pour atténuer les dommages dus aux conditions extrêmes, et collecte de la chaleur perdue. Les auteurs dans [8] ont proposé d’utiliser un échange de chaleur dans des tuyaux à double gaine, ou un équipement de coproduction de chaleur et gaz complexe [9, 10] pour extraire la chaleur du puits de production. Les auteurs dans [11] ont proposé de faire circuler un fluide entre les puits d’injection et de production pour collecter directement la chaleur par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur inséré dans le puits de production. Les auteurs dans [12] ont proposé un dispositif spécifique comportant un tuyau de transport de fluide frigorigène devant être inséré dans le puits de production pour collecter la chaleur et refroidir le puits. Les auteurs dans [13] ont proposé un système basé sur des canalisations de conduction thermique insérées dans des forages verticaux et raccordées à un système de production thermoélectrique pour produire de l’électricité à partir de chaleur. Les auteurs dans [14] se sont appuyés sur un système intégré qui est inséré dans des puits horizontaux pour enflammer le charbon, extraire la chaleur et stocker le dioxyde de carbone.
D’autres ont proposé d’utiliser des galeries et des tunnels dans l’UCG. Par exemple, les auteurs dans [15] ont proposé de creuser des canaux pour des canalisations dans le terrain de couverture, avant une UCG impliquant des galeries. Les auteurs dans [16] ont proposé d’utiliser des solénoïdes dans des parois de tuyaux enroulés en spirale. Les deux procédés sont adaptés à l’exploitation par galeries. D’autres procédés d’exploitation du charbon, tels que le procédé d’extraction par fluidisation in situ du charbon profond, ou la combustion du charbon de surface au moyen d’une réaction, ont été associés à l’extraction de chaleur. Entre autres, certaines recherches antérieures se sont concentrées sur l’extraction de chaleur à partir du gaz de synthèse produit par UCG au moyen d’un système d’échangeur de chaleur à la surface, comme exposé dans [17]. Similairement, l’exploitation de la chaleur perdue dans les cokeries a été étudiée et développée par les auteurs dans [18].
Des dispositifs pour l’extraction de chaleur dans des zones de combustion de charbon superficielles (naturelles ou artificielles, généralement superficielles) ont été décrits dans [19, 20], et sont basés sur des tuyaux en acier horizontaux situés dans la zone de combustion du gisement de charbon, et ces tuyaux introduisent un fluide caloporteur dans le but d’extraire l’énergie thermique, ou bien ils sont basés sur un gros échangeur de chaleur dans un forage de type tubage vertical (jusqu’à 30 m de diamètre) qui comporte une enveloppe cylindrique de forte conductivité thermique.
Une fois installés dans des puits de production, la quantité de chaleur collectée est limitée, et la chaleur restante dans la cavité UCG reste largement inexploitée. De plus, des dispositifs directement insérés dans le charbon rencontreront des conditions extrêmes pouvant compromettre leur durée de vie. D’autres technologies, basées sur l’extraction de chaleur depuis le terrain de couverture au moyen de puits horizontaux [21], peuvent ouvrir une brèche dans le confinement du charbon et représenter un risque de pollution (fuite de gaz).
Ainsi, les procédés existants sont soit susceptibles d’endommager l’équipement utilisé en raison de la chaleur directe éprouvée par les diverses pièces conçues pour extraire la chaleur, soit dangereux pour l’environnement en raison du risque de pollution. Par conséquent, il existe un besoin pour des solutions complémentaires et adaptables, appropriées même pour les veines de charbon profondes, conçues pour collecter de plus grandes quantités de chaleur et pour limiter le risque d’endommagement des dispositifs d’extraction de chaleur. De plus, ces nouveaux procédés et systèmes doivent infliger une perturbation minimale au terrain de couverture et surveiller l’environnement pour atténuer l’impact environnemental potentiel dû aux fuites de gaz incontrôlées et aux mouvements de terrain.
Un mode de réalisation concerne un système d’extraction de chaleur destiné à extraire de la chaleur d’un gisement, et le système comporte un outil coaxial configuré pour être placé dans le sous-sol, l’outil coaxial ayant un tuyau externe et un tuyau interne situé à l’intérieur du tuyau externe, le tuyau externe et le tuyau interne étant tous deux raccordés à un sabot de telle sorte qu’un fluide circule à travers un anneau défini par les tuyaux interne et externe, atteint le sabot, et circule à travers un alésage du tuyau interne. Le système comporte également un générateur électrique raccordé fluidiquement à une unité de traitement chimique pour recevoir un fluide, et aussi raccordé fluidiquement avec un premier orifice au tuyau interne et avec un deuxième orifice au tuyau externe de l’outil coaxial. Une différence de température du fluide au niveau du générateur électrique et au niveau de l’outil coaxial conduit le générateur électrique à produire de l’énergie.
Selon certains modes de réalisation, le système d’extraction de chaleur comprend : un outil coaxial configuré pour être placé dans le sous-sol, l’outil coaxial ayant un tuyau externe et un tuyau interne situé à l’intérieur du tuyau externe, le tuyau externe et le tuyau interne étant tous deux raccordés à un sabot de telle sorte qu’un fluide circule à travers un anneau défini par les tuyaux interne et externe, atteint le sabot, et circule à travers un alésage du tuyau interne ; et un générateur électrique raccordé fluidiquement à une unité de traitement chimique pour recevoir un fluide, et aussi raccordé fluidiquement avec un premier orifice au tuyau interne, et avec un deuxième orifice au tuyau externe de l’outil coaxial, dans lequel une différence de température du fluide au niveau du générateur électrique et au niveau de l’outil coaxial conduit le générateur électrique à produire de l’énergie.
Selon certains modes de réalisation, le système d’extraction de chaleur comprend en outre : une unité de traitement chimique configurée pour recevoir du gaz de synthèse issu d’une veine de charbon en combustion située dans le sous-sol, et pour extraire du CO 2 et du H 2 du gaz de synthèse ; et un compresseur raccordé fluidiquement entre l’unité de traitement chimique et le générateur électrique pour fabriquer du CO 2 supercritique à utiliser comme le fluide.
Selon certains modes de réalisation, seul le sabot est configuré pour être placé dans la veine de charbon.
Selon certains modes de réalisation, le système d’extraction de chaleur comprend en outre : un compresseur supplémentaire configuré pour pomper de l’air ou de l’oxygène à l’intérieur de la veine de charbon pour favoriser la combustion du charbon.
Selon certains modes de réalisation, le sabot est constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C, le tuyau externe est attaché au sabot, le tuyau interne est situé concentriquement à l’intérieur du tuyau externe et forme l’anneau avec le tuyau externe, et l’outil coaxial comporte en outre : un raccord souple configuré pour raccorder le tuyau externe au sabot de telle sorte que le tuyau externe peut se dilater et se contracter sans fuite du fluide à l’intérieur de l’anneau, dans lequel le tuyau interne et le tuyau externe sont configurés pour former une boucle ininterrompue pour le fluide entre un sommet de l’anneau et un sommet de l’alésage tout en permettant également au fluide d’entrer en contact direct avec le sabot.
Selon certains modes de réalisation, l’outil coaxial comprend en outre : un élément faisant crépine (150) situé entre le tuyau interne et le sabot ; et un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine, dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine.
L’invention s’étend aussi à un procédé destiné à extraire de la chaleur d’un gisement, le procédé comprenant : la mise en place d’un ou plusieurs outils coaxiaux dans le sous-sol, l’outil coaxial ayant un tuyau externe et un tuyau interne situé à l’intérieur du tuyau externe, le tuyau externe et le tuyau interne étant tous deux raccordés à un sabot de telle sorte qu’un fluide circule à travers un anneau des tuyaux interne et externe, atteint le sabot, et circule également à travers un alésage du tuyau interne, seul le sabot étant en contact avec une veine de charbon située dans le sous-sol ; le raccordement fluidique d’un générateur électrique à une unité de traitement chimique pour recevoir un fluide, et aussi le raccordement fluidique d’un premier orifice du générateur électrique au tuyau interne et le raccordement d’un deuxième orifice du générateur électrique au tuyau externe de l’outil coaxial ; et la production d’énergie avec le générateur électrique, exclusivement sur la base d’une différence de température du fluide au niveau du générateur électrique et au niveau de l’outil coaxia.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre : le raccordement fluidique d’un puits de production à une unité de traitement chimique, qui est configurée pour recevoir du gaz de synthèse issu de la combustion de la veine de charbon située dans le sous-sol, et configurée pour extraire du CO 2 du gaz de synthèse ; la séparation du CO 2 du gaz de synthèse dans l’unité de traitement chimique ; et la compression du CO 2 pour fabriquer du CO 2 supercritique à utiliser comme le fluide.
Les différents modes de réalisation possible du dispositif de stockage vont être décrits ci-après en référence aux figures 1 à 6.