"Installation géothermique"
L'invention concerne une installation géothermique comprenant une conduite destinée à être introduite dans la terre.
De telles installations géothermiques sont généralement connues et sont utilisées pour capter de l'énergie géothermique qui peut alors être convertie en une autre énergie telle que par exemple de l'électricité ou être utilisée pour chauffer des immeubles. Dans les installations géothermiques connues l'eau du puits géothermique est pompée en surface par l'intermédiaire de la conduite qui est placée dans le puits et sert à relier le puits à la surface.
Un désavantage des installations géothermiques connues est qu'elles sont très localisées et très sensibles à la corrosion et à l'entartrage. Ceci implique une limitation des endroits d'usage possibles et nécessite un entretien très fréquent de l'installation ce qui rend son exploitation onéreuse et économiquement faiblement rentable.
L'invention a pour but de réaliser une installation géothermique à localisation moins stricte et qui est moins sensible à la corrosion et à l'entartrage et offre donc une solution qui est économiquement plus rentable.
A cette fin une installation géothermique suivant l'invention est caractérisée en ce que la conduite est formée par un premier tube de forage dans lequel un second tube est coaxialement disposé, le premier tube, qui forme un premier canal, étant fabriqué en une matière thermoconductrice et le second tube, qui forme un second canal, étant fabriqué en une matière isolante, un accès à partir du premier vers le second canal étant agencé à hauteur de la section de la conduite destinée à constituer le fond du puits chaudière de telle façon à ce qu'un fluide caloporteur puisse pénétrer dans le second canal.
L'usage du premier et du second tube permet de faire circuler le fluide caloporteur dans le premier et le second canal et évite donc de devoir pomper l'eau d'un puits géothermique en surface. Ainsi l'énergie géothermique est captée à l'aide du fluide caloporteur et l'eau du puits géothermique ne peut ainsi plus entartrer la paroi à l'intérieur des tubes, ni la corroder. Au fur et à mesure que le fluide caloporteur descend dans le premier canal d'une installation placée dans la terre, il prélève de façon continue l'énergie géothermique qui va en s'accroissant. Arrivé dans le fond du premier canal, le fluide peut pénétrer à l'aide de l'accès dans le second canal où il peut remonter vers la surface.
Puisque le second tube est fabriqué en une matière isolante, la chaleur accumulée dans le fluide ne se dissipe que de façon tout à fait négligeable dans la paroi du second tube.
L'installation suivant l'invention exploite donc pleinement le gradient thermique présent dans la croûte terrestre et ceci à partir de la surface jusqu'au fond de la conduite. Ainsi son usage n'est pas limité aux endroits où il se trouve un puits géothermique.
Une première forme de réalisation préférentielle d'une installation géothermique suivant l'invention est caractérisée en ce que la conductibilité thermique de la matière isolante dont est fabriqué le second tube décroît dans une première direction allant du fond de l'installation vers la surface terrestre. Etant entendu que la chaleur augmente au fur et à mesure que l'on descend dans la terre, il faut compenser les pertes de chaleur lorsque le fluide caloporteur chaud remonte en surface. En réduisant la conductibilité thermique au fur et à mesure que le fluide remonte, les pertes sont sensiblement réduites.
Une deuxième forme de réalisation d'une installation géothermique suivant l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle fermée agencée pour y faire circuler le fluide calorifique. Cette solution est non seulement efficace mais ne nécessite pour ainsi dire pas d'entretien.
De préférence cette installation géothermique comporte un échangeur thermique ayant une entrée reliée à une sortie du second tube et une sortie reliée à une entrée du premier tube. L'énergie géothermique récoltée par le fluide peut ainsi être échangée afin de l'exploiter.
De préférence cette installation géothermique comporte des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur sous pression dans le premier et second canal. La circulation sous pression augmente la rentabilité de l'installation.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins qui illustrent une forme préférentielle d'une installation géothermique suivant l'invention.
Dans les dessins :
la figure 1 illustre à l'aide d'une vue en coupe le principe de fonctionnement d'une installation géothermique suivant l'invention; la figure 2 illustre schématiquement l'installation pourvue d'un échangeur; la figure 3 illustre schématiquement l'installation pourvue de moyens de conversion;
et la figure 4 illustre une autre forme de réalisation d'une installation géothermique multichaudières suivant l'invention.
Dans les dessins une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.
Comme illustré à la figure 1, l'installation 1 géothermique suivant l'invention est destinée à être introduite dans la croûte terrestre 2 afin de pouvoir récolter l'énergie géothermique qui est accumulée dans le sol.
L'installation géothermique est destinée à former un puits chaudière qui peut être installé partout dans la terre.
L'installation géothermique comporte un premier tube 3 de forage fabriqué en une matière thermoconductrice comme par exemple de l'acier inoxydable afin de réduire la corrosion de la paroi externe du premier tube qui est en contact avec la terre. Le premier tube est fermé au fond.
Le premier tube 3 forme un premier canal 5 pour un fluide caloporteur indiqué par la flèche 7. Le fluide caloporteur est par exemple formé par de l'eau. Bien entendu le fluide caloporteur peut être constitué par un autre liquide choisi en fonction de l'usage envisagé, comme par exemple un alcool ou un réfrigérant.
Dans le premier canal 5 s'étend coaxialement un second tube 4 qui forme un second canal 6. Le second tube est fabriqué en une matière isolante comme par exemple du plastique. Le second tube possède un diamètre sensiblement inférieur, par exemple 3 à 5 fois plus petit, que celui du premier qui a par exemple un diamètre de 300 mm. Un accès du premier canal 5 vers le second canal 6 est prévu dans le fond du premier tube, c'est-à-dire à hauteur de la section de la conduite (3, 4) destinée à être placée dans le fond de l'installation. Cet accès est par exemple réalisé en laissant un écart entre le fond du premier canal et l'ouverture vers le second canal.
Alternativement le second tube descend jusqu'au fond du premier canal mais sa paroi est pourvue d'un nombre d'ouvertures au fond du premier canal de telle façon à ce que le fluide puisse pénétrer à partir du premier canal vers le second.
Le fluide calorifique 7 circule donc dans l'installation, lorsque cette dernière est opérationnelle, en partant du haut du premier canal 5 vers le fond de celui-ci.
Au fond du premier canal le fluide accède alors au second canal 6 par lequel il remonte à la surface. Au fur et à mesure que le fluide caloporteur descend dans le premier canal il prélève l'énergie géothermique présente dans la terre sous forme de chaleur. En effet, comme le premier tube 3 est en matière thermoconductrice, la chaleur géothermique circule à travers la paroi du premier tube pour atteindre le fluide 7 et le réchauffer. Comme la température du puits s'augmente en descendant, le flux calorifique vers le liquide va également s'augmenter. Ainsi à 3.000 m. de profondeur des températures de 90 [deg.]C peuvent être atteintes alors qu'à 6.000 m. respectivement 10.000 m. des températures de 180 [deg.]C à 250 [deg.]C peuvent être atteintes.
Arrivé au fond du premier canal 5 le fluide sera considérablement chauffé et il pourra entamer sa remontée vers la surface. Comme le second tube 4 est en matière isolante, la chaleur accumulée dans le fluide ne se dissipera que très faiblement dans la paroi du second tube et les pertes énergétiques restent réduites. Pour davantage réduire ces pertes la conductibilité thermique de la matière isolante décroît dans la direction allant au fond du puits géothermique vers la surface terrestre.
Il faut noter que la vitesse à laquelle le fluide descend dans le premier canal 5 est très sensiblement inférieure à celle à laquelle le fluide remonte dans le second canal 6. En effet, il est important que le fluide reste le plus longtemps possible dans le premier canal où s'effectue la captation de l'énergie géothermique. Le fluide remonte de préférence entre 8 et 50 fois plus rapidement qu'il descend.
Les pertes thermiques qui sont provoquées par le fait que la température géothermique diminue en remontant vers la surface sont ainsi compensées.
De plus, la chaleur accumulée par le fluide caloporteur en début de parcours ne pourra pas circuler vers le second canal dû à son isolation qui s'accroît en remontant.
Cette diminution de la conductibilité thermique est par exemple réalisée en augmentant l'épaisseur de la paroi du second tube 4 dans la direction du bas vers le haut comme illustré à la figure 1. Cette diminution pourrait également être réalisée en modifiant la densité de la matière utilisée ou en utilisant d'autres matières sur des sections successives. Il va de soi que cette diminution peut être de façon progressive et linéaire ou de façon discontinue par étapes.
Le fluide caloporteur circule en boucle fermée entre le premier et le second canal afin de ne pas causer des pertes de fluides. De préférence le fluide caloporteur circule sous pression dans les canaux 5 et 6. Ceci est par exemple réalisé en plaçant des injecteurs 9 dans une couvercle 8 de fermeture de l'installation, ou en aspirant à l'aide d'une pompe le fluide dans le canal 6. Les injecteurs 9 débouchent dans le premier canal et injectent ainsi le fluide dans ce premier canal.
Puisque le fluide caloporteur circule en boucle fermée sous pression, qui peut être variable et différente de la pression atmosphérique, il est possible d'utiliser notamment un fluide caloporteur ayant une température critique d'ébullition légèrement supérieure
(3 à 5 [deg.]C) à la température du sol à faible profondeur (10 à 50 m.). Ceci permet également de ne pas devoir utiliser un dispositif de recondensation après que l'énergie ait été extraite.
Le prélèvement de l'énergie géothermique captée par l'installation suivant l'invention est par exemple réalisé à l'aide d'un échangeur thermique 10 comme illustré à la figure 2 ou à l'aide de moyens de conversion 12 comme illustré à la figure 3. L'échangeur thermique 10 est par exemple un échangeur air - eau ou eau - eau. Il comporte une ou plusieurs boucles 11, 15 à travers laquelle circule le fluide caloportéur. Une entrée de l'échangeur est reliée à une sortie du second tube et une sortie de l'échangeur est reliée à l'aide de tuyaux 13-14 au premier tube.
Les moyens de conversion illustrés à la figure 3 sont reliés à une sortie du second tube. Ainsi le fluide caloporteur alimente ces moyens qui sont par exemple constitués d'une génératrice d'électricité.
L'installation peut fonctionner jusqu'à une température de vaporisation du fluide au fond de l'installation. Comme illustré à la figure 4 l'installation peut également être formée par plusieurs installations géothermiques réunies dans un puits commun 17. Cela permet une utilisation spécifique pour chaque installation utilisant des fluides caloporteurs appropriés.
REVENDICATIONS
1. Installation géothermique comprenant une conduite destinée à être introduite dans la terre, caractérisée en ce que l'installation est destinée à former un puits chaudière et en ce que la conduite est formée par un premier tube de forage dans lequel un second tube est coaxialement disposé, le premier tube, qui forme un premier canal, étant fabriqué en une matière thermoconductrice et le second tube, qui forme un second canal, étant fabriqué en une matière isolante, un accès à partir du premier vers le second canal étant agencé à hauteur de la section de la conduite destinée à constituer le fond du puits chaudière de telle façon à ce qu'un fluide caloporteur puisse pénétrer dans le second canal.
"Geothermal installation"
The invention relates to a geothermal installation comprising a pipe intended to be introduced into the earth.
Such geothermal installations are generally known and are used to capture geothermal energy which can then be converted into another energy such as for example electricity or be used to heat buildings. In known geothermal installations the water from the geothermal well is pumped to the surface via the pipe which is placed in the well and serves to connect the well to the surface.
A disadvantage of known geothermal installations is that they are very localized and very sensitive to corrosion and scaling. This implies a limitation of the possible places of use and requires very frequent maintenance of the installation, which makes its operation expensive and economically poorly profitable.
The object of the invention is to produce a geothermal installation with less strict localization and which is less sensitive to corrosion and scaling and therefore offers a solution which is economically more profitable.
To this end a geothermal installation according to the invention is characterized in that the pipe is formed by a first drilling tube in which a second tube is coaxially arranged, the first tube, which forms a first channel, being made of a thermally conductive material and the second tube, which forms a second channel, being made of an insulating material, an access from the first to the second channel being arranged at the level of the section of the pipe intended to constitute the bottom of the boiler well so as to that a heat transfer fluid can enter the second channel.
The use of the first and second tubes makes it possible to circulate the heat transfer fluid in the first and the second channel and therefore avoids having to pump water from a geothermal well at the surface. Thus the geothermal energy is captured using the heat transfer fluid and the water from the geothermal well can no longer scale the wall inside the tubes, nor corrode it. As the heat transfer fluid descends into the first channel of an installation placed in the ground, it continuously draws up the increasing geothermal energy. Arrived at the bottom of the first channel, the fluid can penetrate by means of the access in the second channel where it can go up towards the surface.
Since the second tube is made of an insulating material, the heat accumulated in the fluid dissipates only in a completely negligible way in the wall of the second tube.
The installation according to the invention therefore fully exploits the thermal gradient present in the earth's crust and this from the surface to the bottom of the pipe. Thus its use is not limited to the places where there is a geothermal well.
A first preferred embodiment of a geothermal installation according to the invention is characterized in that the thermal conductivity of the insulating material from which the second tube is made decreases in a first direction from the bottom of the installation towards the earth's surface. It being understood that the heat increases as one descends into the earth, it is necessary to compensate for the heat losses when the hot heat transfer fluid rises to the surface. By reducing the thermal conductivity as the fluid rises, the losses are significantly reduced.
A second embodiment of a geothermal installation according to the invention is characterized in that it comprises a closed loop arranged to circulate the heat fluid therein. This solution is not only effective but requires virtually no maintenance.
Preferably, this geothermal installation comprises a heat exchanger having an inlet connected to an outlet of the second tube and an outlet connected to an inlet of the first tube. The geothermal energy collected by the fluid can thus be exchanged in order to exploit it.
Preferably, this geothermal installation includes means for circulating the heat transfer fluid under pressure in the first and second channel. Pressurized circulation increases the profitability of the installation.
The invention will now be described in more detail using the drawings which illustrate a preferred form of a geothermal installation according to the invention.
In the drawings:
Figure 1 illustrates with a sectional view the operating principle of a geothermal installation according to the invention; FIG. 2 schematically illustrates the installation provided with an exchanger; FIG. 3 schematically illustrates the installation provided with conversion means;
and FIG. 4 illustrates another embodiment of a multi-boiler geothermal installation according to the invention.
In the drawings, the same reference has been assigned to the same element or to an analogous element.
As illustrated in FIG. 1, the geothermal installation 1 according to the invention is intended to be introduced into the earth's crust 2 in order to be able to collect the geothermal energy which is accumulated in the ground.
The geothermal installation is intended to form a boiler well which can be installed everywhere in the earth.
The geothermal installation comprises a first drilling tube 3 made of a thermally conductive material such as for example stainless steel in order to reduce corrosion of the external wall of the first tube which is in contact with the earth. The first tube is closed at the bottom.
The first tube 3 forms a first channel 5 for a heat transfer fluid indicated by the arrow 7. The heat transfer fluid is for example formed by water. Of course, the heat transfer fluid may consist of another liquid chosen according to the intended use, such as for example an alcohol or a refrigerant.
In the first channel 5 coaxially extends a second tube 4 which forms a second channel 6. The second tube is made of an insulating material such as for example plastic. The second tube has a substantially smaller diameter, for example 3 to 5 times smaller, than that of the first which has for example a diameter of 300 mm. An access from the first channel 5 to the second channel 6 is provided in the bottom of the first tube, that is to say at the height of the section of the pipe (3, 4) intended to be placed in the bottom of the installation. This access is for example achieved by leaving a gap between the bottom of the first channel and the opening towards the second channel.
Alternatively the second tube descends to the bottom of the first channel but its wall is provided with a number of openings at the bottom of the first channel so that the fluid can penetrate from the first channel to the second.
The heat fluid 7 therefore circulates in the installation, when the latter is operational, starting from the top of the first channel 5 towards the bottom of the latter.
At the bottom of the first channel, the fluid then reaches the second channel 6 by which it rises to the surface. As the heat transfer fluid descends into the first channel it takes geothermal energy present in the earth in the form of heat. Indeed, as the first tube 3 is made of thermally conductive material, geothermal heat circulates through the wall of the first tube to reach the fluid 7 and heat it. As the temperature of the well increases as it goes down, the heat flow to the liquid will also increase. Thus at 3000 m. deep temperatures of 90 [deg.] C can be reached while at 6,000 m. respectively 10,000 m. temperatures of 180 [deg.] C to 250 [deg.] C can be reached.
Arrived at the bottom of the first channel 5 the fluid will be considerably heated and it will be able to begin its ascent towards the surface. As the second tube 4 is made of insulating material, the heat accumulated in the fluid will dissipate only very slightly in the wall of the second tube and the energy losses remain reduced. To further reduce these losses the thermal conductivity of the insulating material decreases in the direction from the bottom of the geothermal well to the earth's surface.
It should be noted that the speed at which the fluid descends in the first channel 5 is very significantly lower than that at which the fluid rises in the second channel 6. Indeed, it is important that the fluid remains as long as possible in the first channel where geothermal energy is captured. The fluid preferably rises between 8 and 50 times faster than it descends.
The thermal losses which are caused by the fact that the geothermal temperature decreases while rising towards the surface are thus compensated.
In addition, the heat accumulated by the heat transfer fluid at the start of the journey will not be able to circulate towards the second channel due to its insulation which increases as it rises.
This decrease in thermal conductivity is for example achieved by increasing the thickness of the wall of the second tube 4 in the direction from the bottom up as illustrated in Figure 1. This decrease could also be achieved by modifying the density of the material used or using other materials on successive sections. It goes without saying that this reduction can be progressive and linear or discontinuous in stages.
The heat transfer fluid circulates in a closed loop between the first and the second channel so as not to cause loss of fluids. Preferably the heat transfer fluid circulates under pressure in the channels 5 and 6. This is for example achieved by placing injectors 9 in a cover 8 for closing the installation, or by sucking the fluid in with a pump. the channel 6. The injectors 9 open into the first channel and thus inject the fluid into this first channel.
Since the heat transfer fluid circulates in a closed loop under pressure, which can be variable and different from atmospheric pressure, it is possible in particular to use a heat transfer fluid having a slightly higher critical boiling temperature.
(3 to 5 [deg.] C) at the temperature of the soil at shallow depth (10 to 50 m.). This also makes it possible not to have to use a recondensation device after the energy has been extracted.
The extraction of geothermal energy captured by the installation according to the invention is for example carried out using a heat exchanger 10 as illustrated in FIG. 2 or using conversion means 12 as illustrated in FIG. Figure 3. The heat exchanger 10 is for example an air-water or water-water exchanger. It comprises one or more loops 11, 15 through which the heat transfer fluid circulates. An inlet of the exchanger is connected to an outlet of the second tube and an outlet of the exchanger is connected using pipes 13-14 to the first tube.
The conversion means illustrated in Figure 3 are connected to an outlet of the second tube. Thus the heat transfer fluid feeds these means which, for example, consist of an electricity generator.
The installation can operate up to a vaporization temperature of the fluid at the bottom of the installation. As illustrated in FIG. 4, the installation can also be formed by several geothermal installations gathered in a common well 17. This allows a specific use for each installation using appropriate heat transfer fluids.
CLAIMS
1. Geothermal installation comprising a pipe intended to be introduced into the earth, characterized in that the installation is intended to form a boiler well and in that the pipe is formed by a first drilling tube in which a second tube is coaxially arranged, the first tube, which forms a first channel, being made of a thermally conductive material and the second tube, which forms a second channel, being made of an insulating material, an access from the first to the second channel being arranged at height of the section of the pipe intended to constitute the bottom of the boiler well so that a heat transfer fluid can penetrate into the second channel.