FR2896277A1 - Installation maremotrice a colonne d'air pour la production d'electricite - Google Patents

Abstract

Pompe marémotrice à colonne d'airDispositif qui permet d'exploiter les différences de pression provoquées par les marées sur une installation située au fond de l'eau (103) pour produire de l'électricité grâce à de l'air sous pression circulant (104) via des turbines (105) entre des modules (106) monoblocs amovibles empilés dans des racks, la régulation entre l'air sous pression dans les modules (107) et l'atmosphère (108) étant assurée par un système de contrepoids (109).Le dispositif s'étage en profondeur entre différents modules qui assurent chacun l'équilibre entre pression interne et externe, ce qui diminue les contraintes mécaniques liées à la profondeur. Les turbines sont actionnées uniquement par la pression et la dépression de l'air, ce qui limite les coûts d'entretien liés à la corrosion sous-marine. Les modules sont conçus pour être usinés en grande série, sont amovibles pour des opérations d'installation et de maintenance, peuvent être disposés dans des racks.Le principe de base du dispositif repose sur le fait qu'en tout point du dispositif s'exercent entièrement les mêmes différences de pression liées à l'amplitude des marées, l'énergie potentielle dépendant donc uniquement du volume d'air auquel est transmise la pression.

Description

1 La présente invention concerne un dispositif d'utilisation des

différences de pression sous-marine occasionnées par les marées pour produire de l'énergie électrique grâce à des turbines actionnées par l'air comprimé ou déprimé selon le niveau de la mer.

Actuellement, l'énergie marémotrice est presque exclusivement exploitée via des procédés qui impliquent la mise en place de barrages de retenue des eaux, de digues qui utilisent les différences de niveaux de la mer ou d'hydroliennes qui profitent des courants marins provoqués entre autres par les marées. Les estimations de production d'énergie à partir de ces procédés varient fortement : la capacité mondiale oscillerait entre 100 GW et 1000 GW. Les préoccupations portent principalement sur les risques pour l'environnement et les coûts d'immobilisation élevés. Sauf en ce qui concerne les hydroliennes, les sites exploitables sont en nombre restreint. La plupart des recherches et exploitations actuelles concernant l'énergie de la mer portent donc sur l'utilisation des vagues et l'installation d'éoliennes off-shore. Là encore, des questions subsistent quant à la rentabilité : coûts d'installation élevés, contraintes mécaniques très fortes qui exigent de l'entretien dans des conditions difficiles. L'utilisation off-shore de l'amplitude des marées a fait l'objet d'un certain nombre de projets (en nombre beaucoup plus restreints que ceux concernant l'exploitation de la houle) et qui tournent, avec des degrés de complexité variés, autour du principe d'Archimède ou des puits artésiens. On trouve ainsi différents systèmes qui tirent l'énergie d'un corps flottant (ponton) dont on récupère la force de traction ou de pression. On trouve également des systèmes qui vont élever l'eau et récupérer ensuite soit le dénivelé, soit la masse stockée dans un conteneur. Les dispositifs à mettre en place sont complexes. L'avantage le plus évident concerne l'environnement : pas de barrages, peu ou pas d'installations visibles.

Ils paraissent, en l'état actuel des recherches, plutôt destinés à être des sources d'énergie d'appoint : par exemple pour des îles non connectées au réseau électrique général et où des éoliennes semblent inopportunes pour des raisons d'esthétique. La production de masse d'une énergie bon marché semble en revanche exclue. Le dispositif objet de la présente invention s'efforce donc de répondre à un certain nombre de défis qui se présenteraient dans l'ordre suivant: récupérer l'énergie des marées de manière économiquement compétitive par rapport aux autres filières de production de l'électricité ; proposer une source d'énergie qui ne soit pas seulement d'appoint ou _réservée à des conditions d'utilisation particulières ou marginales amis qui représente une importance significative par rapport aux autres sources; avoir l'impact le plus neutre possible sur l'environnement ; être implantable dans un nombre suffisamment varié de lieux. Les installations prévues dans le dispositif objet de la présente invention sont sous-marines pour leur plus grande partie. Cela permet de ne pas dépendre du choix limité de sites où les barrages de retenue sont implantables et de laisser largement libre la circulation maritime en surface. Seule une petite partie des installations prévues par le dispositif se trouve en surface. La partie fixée au fond de l'eau subit donc moins les risques de tempête et d'incidents liés au trafic maritime. L'utilisation sous-marine des différences de pression liées aux marées doit tenir compte, entre autres, de 3 contraintes essentielles : la très rapide augmentation de la pression de l'eau avec la profondeur ; la corrosion et les dépôts marins ; les importants volumes nécessaires à un dispositif pour récupérer l'énergie dans des conditions économiques satisfaisantes. Pour répondre spécifiquement à ces contraintes : le dispositif s'étage en profondeur entre différents modules qui assurent chacun l'équilibre entre pression interne et externe ; les turbines sont actionnées par la pression et la dépression de l'air, ce qui limite les coûts d'entretien liés à la corrosion sous-marine ; les modules sont conçus pour être usinés en grande série, sont amovibles pour des opérations d'installation et de maintenance, peuvent être disposés dans des racks. Le principe de base du dispositif repose sur le fait que la quantité d'eau qui monte ou descend sur une zone maritime peut être considérée comme illimitée (non diminuée par l'écoulement d'un volume fini) par rapport au volume d'air contenu dans le dispositif et que, en tout point de celui-ci, s'exercent entièrement les mêmes différences de pression liées à l'amplitude des marées, l'énergie potentielle dépendant donc uniquement du volume d'air auquel est transmise la pression. 3 Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 est un schéma général de présentation des grandes lignes du dispositif. La figure 2 représente le filtre d'entrée de l'eau de mer. La figure 3 représente la chambre où l'eau est au contact de l'air sous pression.

La figure 4 représente les modules où l'air sous pression actionne un contrepoids. La figure 5 représente le système d'ouverture et de condamnation du sas entre le module et les tuyauteries d'évacuation verticales. La figure 6 représente le contrepoids qui maintient l'air sous pression. La figure 7 représente le système d'étanchéité entre les volumes d'air en dessous et au dessus du contrepoids. La figure 8 représente les racks qui servent à l'empilement des modules. La figure 9 montre la structure des racks vue de dessus. La figure 10 représente les systèmes d'évacuation de l'air entre les étages de modules.

La figure 11 montre comment le système d'évacuation achemine l'air sous pression vers les turbines qui produisent de l'électricité. La figure 12 représente le système de communication du dispositif avec l'air extérieur à pression atmosphérique. La figure 13 représente le système de contrepoids amortisseur.

La figure 14 est la figure pour l'abrégé. LES PRINCIPAUX ELEMENTS DU DISPOSITIF SONT : Un SYSTEME D'ENTREE, utilisé par plusieurs empilements de modules. Les systèmes d'entrée sont partageables, de sorte que si des opérations de maintenance exigent la remontée de certains des éléments de l'un d'entre eux, un autre système d'entrée peut être utilisé. Ce système d'entrée comprend : - Un FILTRE qui permet l'entrée et la sortie de l'eau de mer. Ce filtre est situé au bas des colonnes de modules où est enfermé l'air sous pression. Son rôle est d'empêcher les éléments de corrosion de pénétrer dans la partie aqueuse du dispositif. Il dispose d'un système d'auto nettoyage de la grille d'entrée. Il est amovible et peut ainsi être remonté à la surface pour entretien. FIGURE 2 : L'eau pénètre et sort par la grille l'entrée (14). Cette grille peut être nettoyée par une plaque qui descend et gratte la surface de la grille pour éviter les dépôts (15). Lorsque le filtre est remonté à la surface pour entretien, il soulève un bras (16) qu'il accroche (17) et qui en pivotant fait descendre un clapet (18) qui obstrue l'entrée d'eau le temps de la maintenance, en attendant la remise en place du filtre. Le filtre peut être monté et descendu par un système de rails (19). L'eau filtrée est dirigée vers la chambre primaire (20) - une CHAMBRE PRIMAIRE, envahie partiellement par l'eau à plus ou moins grande hauteur, selon l'amplitude de la marée. Elle est située au bas du dispositif, en communication d'un côté avec le filtre et de l'autre avec le module le plus bas. L'air qui y est plus ou moins comprimé passe par un sas de dessiccation afin d'empêcher que l'humidité envahisse les modules. Cette chambre peut également être remontée à la surface pour entretien. FIGURE 3 : l'air (21) emprisonné dans la chambre est plus ou to moins comprimé par la pression de l'eau (22). Il est en communication avec les modules remplis d'air sous pression via un sas de dessiccation (23) qui compense l'effet d'une condensation qui déposerait de l'eau au fond des modules. L'air est poussé vers les modules ou reflue depuis ceux-ci au travers d'un conduit (24). De même l'eau, via un sas (25), entre plus ou moins dans la chambre primaire selon la pression provoquée par 15 la marée. L'ensemble de la chambre primaire peut être monté et descendu par un système de rails (26). Des clapets (27) ferment alors le dispositif le temps de la maintenance. - des MODULES empilés dans des racks verticaux. Chaque module comprend : - une COQUE monobloc étanche de section carrée, dont les couvercles, 20 en haut et en bas, sont amovibles. Ces coques doivent pouvoir être fabriquées en grande série, à des prix très bas et, si possible compte tenu des contraintes locales, dans des bateaux usines ou des plates formes usines amenés sur le site. FIGURE 4 : Le moulage d'un corps creux ouvert aux deux extrémités (28) permet de limiter les contraintes d'usinage et permet également l'installation du 25 contrepoids et de ses rails dans ses guides (29) à l'intérieur du module. Deux orifices de communication (30) un en bas et l'autre en haut, assurent les échanges d'air avec les modules au-dessus et au-dessous. La coque moulée monobloc (28), est dotée de 2 orifices de communication (30) qui permettent des échanges d'air sous pression avec les modules de niveau inférieur et de niveau 30 supérieur. Cette coque, après introduction du contrepoids, est fermée par un couvercle haut (31) et un couvercle bas (32). La fermeture est assurée par des poignées (33) qui, à raison de 8 par couvercle, accrochent la coque dans des encoches (34). A l'intérieur de la coque sont prévus des rails (29) pour stabiliser le mouvement ascendant et descendant du contrepoids. Les orifices de communication situés sur un des angles verticaux des modules permettent à ceux-ci de se connecter au système de tuyauterie verticale incorporé dans les racks. Les modules doivent pouvoir être descendus et remontés pour une 5 première installation ainsi que lors de maintenances ou de modifications de l'installation. FIGURE 5 : Pour pouvoir maintenir la pression adéquate lors d'opérations de descente ou de remontée du module pour son installation ou sa maintenance, les orifices disposent d'un système de clapet (35) sécurisé : en cas de panne, l'orifice se trouve automatiquement en position fermée. Le clapet entre dans une gorge (36) et se referme grâce à un loquet (37) qui se rabat lors de la fermeture. La liaison entre le module et la tuyauterie verticale (38) s'effectue via un système de vissage qui permet, avant que le loquet ne se débloque, d'enclencher une connexion mâle / femelle. L'ouverture et la fermeture du clapet (35), comme le vissage de la connexion (38) sont actionnés par un moteur électrique qui déclenche le mécanisme lorsque le module est arrivé à la bonne profondeur programmée, ou qu'il reçoit l'ordre de se fermer pour permettre une opération de remontée (maintenance). Il se bloque automatiquement en cas d'incident. Un point d'accroche au dessus du couvercle haut (39) permet d'installer une perche pour la manutention du module à l'intérieur du rack et permet également de connecter une durite de gonflage solidaire de la perche. Lorsque le module est immergé, la pression de l'air à l'intérieur du module doit être la même que celle de l'eau à l'extérieur, qu'il soit en phase de descente ou de remontée. Le gonflage (ou le dégonflage) s'effectue via un orifice (39) situé au dessus du module et obstrué lorsque la perche et la durite de gonflage sont déconnectés. - un CONTREPOIDS installé à l'intérieur du module. Ce contrepoids sert à maintenir un supplément de pression à l'intérieur du module, équivalent à la différence de pression de l'eau qui correspond à la hauteur du module. Ce contrepoids peut monter et descendre à l'intérieur du module, maintenant de manière étanche l'air au-dessous de lui à une pression supérieure à ce qu'elle est au-dessus. 111 est guidé par des rails à l'intérieur du module. FIGURE 6 : Le contrepoids (40) s'élève et s'abaisse en fonction des différences de pression dues à la marée. Sa masse est telle qu'elle maintient une poussée équivalente à la 6 différence de pression de l'eau induite par la hauteur du module. Par exemple, si le module a une hauteur utile (colonne de l'air pouvant entrer dans le module ou en sortir, hors encombrement du dispositif) de 10 mètres, le contrepoids doit compenser un bar. Des rails de stabilisation (41), solidaires du contrepoids s'enclenchent dans les rails attachés à la coque et assurent la stabilité du contrepoids lors de ses mouvements. FIGURE 7 : Sous le contrepoids, une plaque de protection (42) permet d'assurer l'étanchéité entre les volumes d'air au dessus et au dessous du contrepoids - volumes dont la pression est différente. Cette plaque de protection comporte un système de clapet (43) qui se plaque sur la paroi de la coque du module sous l'effet de la pression. Le clapet a 8 encoches (44) correspondant a la place des rails. Une gaine souple (45) complète le système d'étanchéité. des RACKS qui permettent d'y introduire verticalement des grappes de modules. Ces racks enrobent le système de tuyauterie qui sert à acheminer l'air entre les grappes de modules d'un niveau vers les niveaux inférieurs et supérieurs. Ce système de tuyauterie fait passer l'air par les turbines qui produisent l'énergie électrique. FIGURE 8 : Les racks (46) sont disposés par étage (47,48,52). Il s'agit de gaines creuses disposées verticalement et qui entourent des paquets de modules (49). A chaque étage une gaine horizontale (50) assure la stabilité du dispositif et abrite les tuyauteries et dispositifs de communication. Les modules sont disposés verticalement par paquets et juxtaposés (49). Chaque module comporte son contrepoids (51) Les paquets de modules disposés à un étage intermédiaire (48) communiquent avec le niveau supérieur (47) et avec le niveau inférieur (52). FIGURE 9 : La coupe vue du dessus montre un rack composé de 4 gaines (53) liées par un tablier de protection creux (54) qui assure également la stabilité de l'ensemble et enserre les paquets de modules (55). Entre les modules, une tuyauterie verticale (56) assure la liaison inter - modules (entre modules de différents niveaux ) via un système de tuyauterie horizontal qui achemine l'air vers les turbines situées aux différents niveaux.

Les racks sont implantés sur des installations fixes au fond de la mer, installations qui reposent sur des pylônes enfouis dans les fonds marins. - des TURBINES à air qui se situent à chaque étage intermédiaire entre les différents niveaux de modules. FIGURE 10 : Le contrepoids (58) monte en fonction de la pression supplémentaire qu'il subit à marée montante de la part du volume d'air situé en dessous de lui (59). Il repousse l'air situé au-dessus de lui (60). A marée descendante, l'air en dessous de lui perd de la pression et le poids du module le fait redescendre, créant ainsi une dépression quii va faire entrer de l'air au dessus de lui. L'air sort et entre par les orifices d'évacuation (61, 62). Une tuyauterie (63) qui longe verticalement la coque du module reçoit l'air entrant ou sortant entre un module et les modules de niveau supérieur (64) et inférieur (65). Cette tuyauterie assume l'étanchéité des pressions d'air entre différents niveaux par un bouchon (66). Cette tuyauterie passe ensuite horizontalement dans un espace inter modules (67). Elle recueille alors séparément (68) l'air évacué et injecté et répète l'opération pour chaque module voisin (69), fonctionnant ainsi comme un collecteur de flux d'air entre les modules. Dans une représentation non éclatée, le système de tuyauterie est collé aux modules pour ce qui est des évacuations verticales (70) et logé dans un espace inter modulaire horizontal (71) entre un module de niveau supérieur (72) et un module de niveau inférieur (73) pour les communications horizontales entre les colonnes de modules. FIGURE 11 : L'air, expulsé ou aspiré dans le bas (74) des modules de niveau supérieur (75) ou dans le haut (76) des modules de niveau inférieur (77) par le tuyau d'évacuation vertical arrive dans le tuyau d'évacuation horizontal (78,79), soit en aspiration, soit en expulsion. L'air est acheminé par les tuyaux d'évacuation horizontaux (80), chaque branche servant, en fonction de la marée qui provoque soit pression soit dépression, alternativement pour l'expulsion vers les turbines ou pour recevoir l'air depuis les turbines. - un MODULE HAUT qui communique avec l'air extérieur à pression atmosphérique. Ce module est, comme tous les autres, pourvu d'un contrepoids qui maintient au-dessous de lui une pression égale à celle imprimée par l'eau en fonction de la profondeur à laquelle est immergé le module. En effet, le dispositif ne peut fonctionner que si le volume d'air sous pression de l'ensemble des modules est comprimé de sorte qu'au niveau le plus haut il y ait équilibre avec l'air externe à pression atmosphérique (du moins en état stationnaire, c'est-à-dire à marée haute ou basse.) Par ailleurs, le dispositif ne peut être pleinement efficace que si une quantité maximale s'écoule entre les différents niveaux de module, via les turbines. Or les amplitudes de marée sont changeantes entraînant donc des variations de pression différentes. Le contrepoids amortisseur exerce ainsi une double fonction de 8 régulation : d'une part conserver l'équilibre entre l'air contenu dans le dispositif et l'air atmosphérique quelque soit le niveau de pression imprimé par la marée ; d'autre part garantir le même niveau d'écoulement d'air entre les modules quelque soit également la marée. Lorsque la pression augmente à marée montante et que par conséquent le contrepoids du dernier module le plus haut ne suffit plus à assurer l'équilibre avec l'air à pression atmosphérique au-dessus de lui, un système amortisseur situé au dessus du module est actionné. FIGURE 12 : Lorsque la pression de l'air, à rnarée montante, augmente dans les colonnes de modules jusqu'au dernier niveau haut de modules (81), l'air au-dessus du dernier des contrepoids (84) est expulsé par le système d'évacuation (82) vers la turbine du dernier niveau haut (83). L'air pénètre dans une chambre (85) où, progressivement, la pression va être augmentée grâce à un système de contrepoids amortisseur (86). Ce contrepoids modulable règle l'augmentation de sa pression de sorte que, ajoutée à la pression des contrepoids des modules sur l'air en dessous d'eux (87), elle permette à l'air au-dessus de lui (88) d'être maintenu à pression atmosphérique après que son volume ait été évacué par une dernière turbine (89) vers l'atmosphère (90). A ce moment, tout le volume d'air des modules de niveau inférieur a été évacué dans les modules de niveau supérieur à eux. A marée descendante, ce contrepoids amortisseur (86), qui a acquis de l'énergie potentielle, comprime l'air en dessous de lui. Cet air repasse par la turbine et reflue au dessus des contrepoids des modules (91) qui descendent, l'air en dessous d'eux (87) voyant sa pression baisser. FIGURE 13 : Ce contrepoids amortisseur peut être du type levier. A marée basse (92), le contrepoids standard (93) est en position basse dans le module. Au dessus de lui, un poids (94) est en équilibre sur un plan -rail (95) pivotant autour d'un axe fixe (96), en équilibre au centre, à la verticale de l'arbre (97) poussé par le contrepoids standard (93). [Ce contrepoids est ici qualifié de standard parce qu'il a la même fonction que les contrepoids des modules des autres niveaux. En revanche, il a une fonction particulière de par le dispositif qui y est attaché au dessus de lui : arbre (97), poids (94) et plan rail (93)]. A marée haute de moyen ou faible marnage (98), le contrepoids standard (93) se soulève et le poids (94) se déplace sur le plan pivotant, exerçant une force verticale de levier sur le plan rail (95). Le poids peut être déplacé par un système de poulie de sorte que, plus la pression est forte, plus il se rapproche du bord du plan opposé à l'axe fixe. Il peut également être mû 9 par un moteur piloté par un marégraphe (99), ce qui donne plus de souplesse et de précision (les prévisions de marées, bien que très fiables, doivent malgré tout intégrer des phénomènes amplificateurs ou réducteurs û houle û qui introduisent des variantes faibles mais réelles dans les calculs). A marée haute dans le cas d'un fort marnage (100) le poids se situe encore plus à l'extrémité du plan û rail (95). D'autres systèmes d'amortisseur peuvent être utilisés, notamment quand les variations d'amplitude des marées sont faibles : par exemple des systèmes à ressort ou des pistons à air ou à liquide (101) ou tous autres systèmes similaires susceptibles de restituer l'énergie potentielle accumulée pendant la période de compression. Le système de contrepoids amortisseur est réglé de sorte que d'une part le plan rail (95) soit horizontal et le poids (94) à la verticale au dessus de l'arbre (97) à marée basse de la marée de plus fort marnage et que d'autre part, il puisse, à sa plus forte extension, compenser la pression engendrée par la marée haute de la marée de plus fort marnage. Dans le cas de zones maritimes dans lesquelles les amplitudes peuvent être spécialement fortes, la configuration du module haut doit être adaptée, de manière à laisser plus d'amplitude au levier (102). Par ailleurs, le système de contrepoids peut lui-même être secondé par le système de pistons(102)

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif qui permet d'exploiter les différences de pression provoquées par les marées sur une installation fixe située au fond de l'eau (1) pour produire de l'électricité grâce à de l'air sous pression circulant (2) via des turbines (3) entre des modules (4) monoblocs amovibles empilés dans des racks, la régulation entre l'air sous pression dans les modules (5) et l'atmosphère (6) étant assurée par un système de contrepoids (7).

2. Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les modules monoblocs sont 10 empilables (8) les uns au dessus des autres, emboîtables dans des racks et de taille telle qu'ils puissent être usinés dans des moules en grande série.

3. Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que l'air dans chaque module empilé se trouve à pression égale à celle de l'élément aqueux (9) à la même profondeur, grâce à un système de contrepoids (7) qui y maintient la pression 15 adéquate, chaque module exerçant la force de son propre contrepoids sur l'air contenu dans les modules en dessous de lui, ce qui permet de limiter la masse du contrepoids de chaque module à ce qui est nécessaire pour compenser la différence de pression de l'eau correspondant à la hauteur du module concerné.

4. Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que le contact avec l'élément 20 aqueux qui imprime la pression à l'intérieur des modules s'effectue via un système d'entrée (10) qui comprend un filtre, une chambre primaire et de dessiccation dont la fonction est notamment d'éviter les risques d'humidité et de corrosion à l'intérieur du dispositif.

5. Dispositif selon revendications 1 et 3 caractérisé en ce que les contrepoids (7) 25 situés à l'intérieur des modules intermédiaires entre le module le plus haut et celui le plus bas exercent une pression constante, mais que, au niveau du module le plus haut, un contrepoids amortisseur (11) règle sa pression sur l'air en dessous de lui (12) de sorte que, quelque soit la pression à l'intérieur des modules en fonction de l'amplitude des marées, il compense la pression à l'intérieur du dispositif (5) par 30 rapport à la pression atmosphérique externe (6).

6. Dispositif selon revendications 1 et 4 caractérisé en ce que le système de filtre, la chambre primaire et le système de dessiccation (10) peuvent être remontés à la surface pour maintenance.-11-

7. Dispositif selon revendications 1, 3 et 5 caractérisé en ce que le contrepoids amortisseur (1l) situé dans le module le plus haut est réglable de sorte que, quelque soit la différence de pression provoquée par l'amplitude des marées, le volume d'air circulant (2) entre les modules soit toujours identique.

8. Dispositif selon revendications 1, 4 et 6 caractérisé en ce que le filtre (10) dispose d'un système de nettoyage permettant de gratter les dépôts qui pourraient obstruer l'entrée et la sortie de l'eau dans le dispositif.

9) Dispositif selon revendications 1, 2, 3, 5 et 7 caractérisé en ce que le dispositif ne communique avec la surface de l'eau que via une cheminée (13) où circule de l'air à 10 pression atmosphérique