BE1016897A3 - Installation geothermodynamique. - Google Patents

Abstract

Installation géothermodynamique à introduire verticalement dans la terre comportant un circuit tubulaire fermé en matière thermoconductrice formant un puits chaudière constitué par un serpentin périmétrique descendant et une colonne axiale rectiligne ascendante isolée thermiquement dans lesquels la circulation en boucle d'un fluide caloporteur capte l'énergie géothermodynamique qui peut être utilisée directement ou accumulée pour un usage ultérieur.

Description

  "INSTALLATION GE0THERMODY AMI QUE "
L'invention concerne une installation géothermodynamique comprenant un circuit tubulaire fermé destiné à être introduit verticalement dans le sol sur la terre ferme ou dans un fond lacustre ou marin, La localisation des installations géothermiques généralement connues est terrestre et limitée car elles requièrent un puits géothermique d'eau chaude dont l'énergie géothermique peut alors être convertie en une autre énergie telle que de l'électricité ou être utilisée pour chauffer des immeubles.
Une autre forme d'installation géothermique généralement connue, la sonde géothermique profonde, évite cette limitation de localisation mais sa puissance est limitée au débit de l'énergie géothermique présente dans le sol à cet endroit pour une utilisation immédiate sous une forme prédéterminée, généralement calorifique.

   L'énergie géothermique est également utilisée dans les installations de chauffage par échangeur de sol équivalent mais elle nécessite l'intervention d'une pompe de chaleur. L'invention a pour but de réaliser une installation géothermodynamique autonome sans limitation de localisation capable d ' en agasiner l'énergie géothermique présente dans le sol et de l'accumuler pour une utilisation différée sous forme mécanique ou calorifique en fonction du genre et du niveau des besoins requis à satisfaire indépenda ent de la puissance nominale de l'installation, au moment où ils se manifestent.

   A cette fin une installation géothermodynamique suivant l'invention est caractérisée en ce que le circuit fermé formé par la tubulure fabriquée en une matière thermoconductrice comprend un serpentin de spires périmétriques et une colonne rectiligne centrale isolée thermquement, Ce circuit de tubulure, empli d'un fluide caloporteur, est enfoncé verticalement dans une cheminée circulaire pratiquée dans la croûte terrestre. Au fur et à mesure que le fluide caloporteur descend dans le serpentin d'une installation placée dans la terre il prélève de façon continue l'énergie thermodynamique qui va en s 'accroissant . Arrivé au bas du serpentin le fluide peut remonter vers la surface par la colonne centrale rectiligne.

   Puisque cette colonne est isolée thermiquement, l'énergie calorifique et mécanique accumulée dans le fluide ne se dissipe que de façon tout à fait négligeable dans la paroi de cette colonne. L'installation suivant l'invention exploite donc pleinement le gradient thermodynamique présent dans la croûte terrestre et ceci à partir du sommet jusqu'à la base du serpentin. Ainsi son usage n'est pas limité aux endroits où se trouve une nappe d'eau chaude.

   De plus, l'installation étant constituée par un circuit fermé, si l'énergie thermodynamique accumulée dans le fluide caloporteur n'est pas prélevée par le haut du serpentin elle est réintroduite dans la terre où elle s'accumule par tranfert dans les couches supérieures plus froides qu'elle réchauffe jusqu'à finalement y atteindre la même température que la couche la plus chaude à la base du serpentin.
Dans une même cheminée verticale circulaire peuvent être installés deux ou plusieurs circuits de tubulures imbriqués les uns dans les autres et emplis de fluides caloporteurs de volatilités différentes favorisant soit l'énergie mécanique, soit l'énergie calorifique.

   Une première forme de réalisation préférentielle d'une installation géothermodynamique suivant l'invention est caractérisée en ce que le pas de pénétration en profondeur des circonvolutions du serpentin peut être variable et modulé. Etant entendu que la croûte terrestre n'est pas homogène et que certaines couches du sol sont plus caloporteuses que d'autres, la variation du rapprochement ou de l'écarteme[pi]t entre les spires consécutives du serpentin permet d'optimaliser la captation de l'énergie géothermique.
Une deuxième forme de réalisation préférentielle d'une installation géothermodynamique suivant l'invention est caractérisée en ce que la condictibilité thermique de l'isolation de la colonne ascendante décroit 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 troisième forme préférentielle 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 caloporteur. Cette solution n'est pas seulement efficace mais permet d'accumuler l'énergie récoltée.
De préférence cette installation géothermodynamique comporte au sommet de la boucle un vase d'expansion qui absorbe la variation de volume du fluide caloporteur sous l'effet de la dilatation thermique.

   De préférence cette installation géothermodynamique comporte un transformateur thermodynamique inséré dans le circuit au sommet de la colonne ascendante. L'énergie géothermodynamique récoltée par le fluide peut ainsi être échangée afin de l'exploiter.
De préférence cette installation géothermodynamique comporte des moyens pour faire circuler le fluide sous pression dans le circuit. La circulation sous pression augmente la rentabilité de l'installation. L'invention sera maintenant décrite plus en détail à l'aide de 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 coupe éclatée le principe de fonctionnement d'une installation géothermique suivant l'invention. la figure 2 illustre schématiquement le dispositif de transformation de l'énergie géothermodynamique captée. la figure 3 illustre schématiquement une installation géothermodynamique à circuits multiples. Dans les figures 1 & 2 une même référence a été attribuée à un même élément ou un élément analogue. Comme illustré à la figure 1 l'installation géothermodynamique suivant l'invention 1 est destinée à être enfoncée verticalement dans la croûte terrestre 2 afin de pouvoir récolter l'énergie géothermique qui est présente dans le sol.

   L'installation est destinée à former un puits chaudière qui peut être installé partout dans la profondeur de la terre aussi bien sur la terre ferme que sur un fond lacustre ou marin. L 'installation comporte un circuit tubulaire fabriqué en une matière thermoconductrice comme par exemple de l'acier inoxydable afin de réduire la corrosion de la paroi. Ce circuit comporte un serpentin périmétrique vertical descendant 3 dont les spires peuvent être plus 4 ou moins 5 rapprochées ou superposées B raccordé à sa base à une colonne centrale rectiligne ascendante 7 thermiquement isolée 8, La longueur de la colonne ascendante est de 3 à 25 fois plus courte que celle du serpentin. Un fluide caloporteur indiqué par les flèches 9 emplit le circuit tubulaire. Ce 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, une huile ou un réfrigérant.
Le fluide caloporteur 9 circule donc dans l'installation lorsque cette dernière est opérationnelle en partant du sommet du serpentin périmétrique 3 dont il parcourt toutes les spires jusqu'à la base de celui-ci.
Au bas du serpentin le fluide caloporteur accède à la colonne verticale par laquelle il remonte vers le sommet où il est réintroduit dans le serpentin périmétrique 3, Au fur et à mesure que le fluide caloporteur 9 descend dans le serpentin il prélève l'énergie géothermique présente dans la terre sous forme d ' échauffe ent et de dilatation.

   En effet comme le serpentin 3 est en matière thermoconductrice la chaleur circule à travers la paroi de la tubulure pour atteindre le fluide 9, le chauffer et le dilater, comme la température augmente avec la profondeur le flux calorifique vers le fluide va également s'accroitre. Ainsi à 3000 m, de profondeur des températures de 90[deg.]C peuvent être atteintes alors qu'à 6000 m, respectivement 10.000 m. des températures de 180[deg.]C et 250[deg.]C peuvent être atteintes. Conjointement à 1 ' échauffement se produit une dilatation du fluide caloporteur dont la densité va proportionnelle ment diminuer. L'importance de la capacité d'échauffe ent et de la dilatation dépendent des caractéristiques physiques du fluide caloporteur.

   Arrivé à la base du serpentin 3 après en avoir parcouru toutes les spires le fluide sera considérablement chauffé et pourra entamer sa remontée vers la surface. Comme la colonne rectiligne ascendante 7 est thermiquement isolée t la chaleur accumulée dans le fluide ne se dissipera que très faiblement dans la paroi de la colonne et les pertes énergétiques restent réduites Pour davantage réduire ces pertes la conductibilité thermique de la matière isolante décroit dans la direction allant du fond du puits géothermique vers la surface terrestre. Ilfaut noter que le trajet parcouru par le fluide descendant dans le serpentin est toujours énormément supérieur à celui toujours minimum de la remontée et dépend du diamètre et du nombre de spires du serpentin.

   En effet il est important que le fluide reste le plus longtemps possible dans le serpentin où s'effectue la captation géothermique. Le fluide parcourt de préférence un trajet de remontée minimum déterminé par la hauteur du serpentin, Les pertes thermiques qui sont provoquées par le fait que la température géothermique diminue en remontant vers la surface sont ainsi compensées.
Cette diminution de la conductibilité thermique est par exemple réalisée en augmentant l'épaisseur de la gaine isolante 8 dans la direction du bas vers le heut comme illustré à la figure 1. Cette diminution pourrait également être réalisée en modifiant la densi'té 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 ou de façon discontinue par étapes.
Le fluide caloporteur circule en boucle fermée entre le serpentin et la colonne ascendante afin de ne pas causer de perte de fluide. 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 à la température du sol à faible profondeur ou de l'eau de mer à l'endroit de l'installation pour utiliser ce sol ou l'eau de mer pour la recondensation du fluide caloporteur.

   Cela permet également de pouvoir remplacer le dispositif de recondensation après que l'énergie cinétique ait été extraite par un couplage avec l'échangeur de sol d'une installation de chauffage géothermique avec pompe de chaleur
La captation de l'énergie géothermique peut être permanente. Si l'énergie contenue dans le fluide caloporteur n'est pas prélevée avant la réintroduction du fluide en haut du serpentin, elle sera récupérée et enmagasinée dans l'épaisseur du sol de la paroi périphérique du serpentin dont elle élèvera progressivement la température plus froide des couches superficielles jusqu'à celle des couches profondes plus chaudes à la base du serpentin. Un vase d'expansion 10 récoltera l'accroissement par dilatation du volume du fluide caloporteur engendré par l'accroissement de sa température.

   Comme illustré à la figure 2 le prélèvement de l'énergie géothermodynamique captée par l'installation suivant l' invention est réalisé<r>à l'aide d'un dispositif comprenant un convertisseur mécanique de l'énergie cinétique 11 et un échangeur thermique de l'énergie calorifique 12,
Le convertisseur mécanique 11 sera par exemple une turbine actionnant une dynamo. L'entrée en sera reliée à l'extrémité supérieure de la colonne ascendante et la sortie à l'entrée de l'échangeur thermique 12, par exemple un échangeur air-eau ou eau-eau dont la sortie sera reliée à l'entrée au sommet du serpentin 3.

   Le fluide caloporteur alimente donc successivement le convertisseur mécanique et l'échangeur thermique mais l'installation peut ne prévoir que le prélèvement d'une des deux formes d'énergie, auquel cas la sortie du convertisseur mécanique sera directement dirigée vers l'entrée du sommet du serpentin à travers un dispositif terrestre de recondensation par le sol ou la masse d'eau surmontant l'installation et l'entrée de l'échangeur thermique à la sortie de la colonne ascendante 7,
L'installation peut fonctionner jusqu'à la température critique du fluide au fond de l'installation.

   Comme illustré à la figure 3 le puits chaudière peut comprendre deux ou même plusieurs circuits imbriqués, Cela permet une utilisation spécifique pour chaque installation utilisant des fluides caloporteurs différents appropriés et même un transfert de l'énergie captée par une installation vers une autre dont la spécificité est plus appropriée à la forme d'énergie requise à un moment donné.
Le niveau de prélèvement de l'énergie géothermique disponible et enmagasinée en fonction des besoins est modulé par le réglage de la circulation du fluide caloporteur dans l'installation et sa limite par la capacité de transfert thermique de la paroi du serpentin. et de son environnement.

   Cette capacité de transfert est fonction du diamètre et de la longueur du serpentin, de la conductibilité thermique de sa paroi et de celle de son environnement qui peut être favorisée par humidification, Le niveau de prélèvement est indépendant de la puissance nominale de captation de l'installation.

Claims (1)

1. REVNDICATIONS

   1, Installation géothermodynamique comprenant un circuit tubulaire destiné à être implanté verticalement n'importe où dans la croûte terrestre, caractérisé en ce que l'installation est destinée à former un puits chaudière et en ce que le circuit est formé par une tubulure façonnée en un serpentin périmétrique descendant et une colonne axiale rectiligne ascendante en matière thermoconductrice de telle façon qu'un fluide caloporteur puisse y circuler.

   2, Installation géothermodynamique suivant la revendication 1 caractérisée en ce que l'écartement entre les spires successives du serpentin peut être variable et modulé de diverses façons sur toute la longueur du serpentin,

   3, Installation géothermodynamique suivant la revendication 2 caractérisée en ce que la conductibilité thermique de la colonne rectiligne ascendante décroit dans une première direction allant du fond de l'installation vers la surface terrestre.

   4 Installation géothermique suivant la revendication 3 caractérisée en ce que l'isolation thermique de la colonne ascendante augmente dans ladite première direction. 5. Installation géothermodynamique suivant la revendication 4 caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle fermée entre les sommets de la colonne ascendante et du serpentin pour y faire circuler le fluide caloporteur, B, Installation géothermodynamique suivant la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un vase d'expansion agencé pour régler la pression interne du circuit, 7,

   Installation géothermodynamique suivant l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que des moyens de captation et conversion en force motrice et calorifique de l'énergie thermodynamique contenue dans le fluide caloporteur sont reliés à la sortie du sommet de la colonne ascendante et à l'entrée au sommet du serpentin. 8, Installation géothermodynamique suivant l'une des revendication de 1 à 7 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur sous pression dans le serpentin et la colonne ascendante, 9. Installation géothermodynamique suivant l'une des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle comporte deux ou plusieurs circuits imbriqués formant un même puits chaudière.

   10. Procédé de production d'énergie motrice et calorifique à partir d'énergie géothermique caractérisé en ce qu'un fluide caloporteur est mis en circulation dans un circuit en boucle comprenant un serpentin périmétrique qui descend dans la terre afin d'y prélever l'énergie géothermique lorsque le fluide descend, ledit fluide étant ensuite remonté par une colonne verticale placée au centre du serpentin,

   11. Procédé de production d'énergies qualifiées suivant la revendication 10 caractérisées en fonction des propriétés physiques du fluide caloporteur.. utilisé, 12,Procédé d'accumulation et de stockage de l'energie géothermique produite suivant les revendications 10 & 11 caractérisé en ce que circulant en boucle le fluide caloporteur cède à travers la paroi du serpentin l'énergie excédentaire qu'il renferme aux couches terrestres supérieures plus froides qu'il retraverse,

   13.Procédé de récupération de l'énergie géothermique stockée suivant la revendication 12 caractérisé en ce que les couches terrestres réchauffées cèdent à travers la paroi du serpentin l'énergie géothermique enmagasinée au fluide caloporteur déficient qu'elles réchauffent. 14. Procédé de modification de la qualification de l' énergie thermodynamique récupérée suivant les revendications 10 à 14 caractérisé en ce que dans un puits chaudière comprenant deux ou plusieurs circuits imbriqués l'énergie peut être récupérée par un circuit chargé d'un fluide caloporteur différent de celui du circuit d' apport. 15,

   Procédé de production d'énergie géothermodynamique suivant les caractéristiques 10 à 14 caractérisé en ce que la captation et l'échange de l'énergie produite peuvent être accélérés par une humidification de la terre du milieu géothermique exploité.