WO2012038632A1 - Procédé et dispositif de stockage d'un fluide cryogénique adaptés aux sols comprenant du pergélisol - Google Patents

Procédé et dispositif de stockage d'un fluide cryogénique adaptés aux sols comprenant du pergélisol Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for storing a cryogenic fluid suitable for soils comprising permafrost.
  • the fluids concerned are produced by cryogenics techniques and are typically at temperatures below -150 ° C (123 K).
  • cryogenics techniques typically at temperatures below -150 ° C (123 K).
  • LNG liquefied natural gas
  • LNG at about -161 ° C
  • liquid nitrogen and oxygen for example, liquefied natural gas, or LNG, at about -161 ° C, or liquid nitrogen and oxygen.
  • tanks comprising at least one tank adapted to low temperatures and to surround this tank with highly efficient isolation means, in order to minimize thermal losses between the fluid and the environment. outside.
  • these means are similar to a steel or concrete shell surrounding the tank and comprising highly insulating materials such as perlite.
  • heating means such as electrical resistances under the tank.
  • the tanks are very heavy and, depending on the mechanical quality of the soil, it is often necessary to build foundations that are expensive in terms of investment and construction time. In addition, these foundations leave traces in the environment or make it difficult to dismantle the tanks.
  • Permafrost soil due in particular to the presence in the ground of permafrost on the surface or at a certain depth.
  • Permafrost is soil or part of the soil naturally frozen for at least two years. The soil undergoes partial freeze / thaw cycles due to seasonal climate variations. The extent of the soil areas affected by permafrost also varies with changing climatic conditions. The boundary between frozen and unfrozen soils evolves according to complex climatic and environmental parameters.
  • the present invention aims to remedy all or some of the disadvantages mentioned above, that is to say in particular to provide a method for storing a cryogenic fluid in an area where the ground comprises permafrost, which in particular to reduce the cost and / or the duration of construction and its impact on the environment.
  • the solution of the invention relates to a method for storing a cryogenic fluid, implementing a reservoir comprising at least one vessel adapted to contain the cryogenic fluid, the method comprising the following steps:
  • step a) by "set up”, it means that the tank is either built on site, or built elsewhere and brought on site, or it is partially prefabricated, then assembled on site. It can be placed on the floor. It can be totally buried in the ground. It can be partially buried.
  • the soil under consideration includes permafrost at its surface and / or deeper.
  • the heat exchange referred to in step c) takes place between a fluid at a temperature below -150 ° C and the soil surrounding the reservoir. According to a particular mode, it is done directly to through the walls of the tank and any slab forming part of the modified soil.
  • the cryogenic fluid is circulated by appropriate means in the soil.
  • the exchange is done indirectly via a fluid that exchanges with both the cryogenic fluid and the soil.
  • the (relative) heat of the soil is transmitted to the cryogenic fluid, which is to say that the cryogenic fluid yields cold to the ground.
  • This cooling of the ground makes it possible to freeze it or to maintain it in gel on a given extension zone.
  • the portion of frozen ground is not necessarily in contact with the reservoir, but undergoes the forces printed on the ground by the reservoir. This has the effect of stabilizing the soil in the vicinity of the tank, avoiding its thaw.
  • This has the advantage of mitigating the seasonal climate effects (freeze / thaw) or even of a climate change in the direction of a warming that would reduce the permafrost.
  • the deformations of the soil over time, whether natural or due to the reservoir are attenuated.
  • So stabilized soil serves as a natural foundation for the tank. Knowing the rheology of the soil, it is possible to determine what extension of the frozen zone must be obtained or maintained to obtain this effect. A priori, we aim for a minimum extension, with a margin of safety, because this heat exchange costs energy taken from the cryogenic fluid.
  • One parameter to take into account is the possible presence of retaining elements lightening the tank.
  • the frozen zone cooperates with these elements to mechanically carry the tank, without undergoing excessive deformation.
  • the invention can implement one or more of the following features:
  • said cryogenic fluid is liquefied natural gas (LNG).
  • LNG liquefied natural gas
  • - Said soil is a seabed and, in step a), the tank is floated and is immersed by filling one or more ballasts.
  • ballasts may be temporary or permanent.
  • temporary is meant that they are not part of the tank installed on its site.
  • step c) said portion of soil maintained in gel having a given extension and the heat exchange having a given power, this power is adjusted so as to control the extension of said portion of soil.
  • step c) said second part of the shell having given thermal conduction properties and said thermal conduction through a second part of said shell being at a given conduction power, said second part of the shell is modified in order to improve or degrade the conduction properties to control said conduction power.
  • step a) prior to the installation of the tank on the ground, the floor is flattened and provided with a seat adapted to receive the tank.
  • a cryogenic fluid is injected into the ground so as to freeze or gel said ground portion, so that said portion of soil can carry mechanically the tank.
  • the fact of totally or partially immersing the tank and placing it on a seabed has the advantage that it can be built elsewhere and brought in situ for example by flotation. In addition, after its dismantling, it will leave no traces on the mainland, at most the seabed has been a little modified.
  • the choice of a reservoir on land (on-shore) or offshore (offshore) is linked to regulatory constraints, accessibility and even feasibility of construction on land.
  • the invention makes it possible to envisage an installation on the seabed by reducing the weight, the volume of the installations and thus reducing the impact on the seabed. In this way, it is possible to obtain greater sustainability of the installations, whatever the evolution of the seabed permafrost.
  • the invention is particularly well suited to a seabed comprising permafrost.
  • the seasonal and long-term evolution of the seabed is less known and more difficult to predict than that of terrestrial soils.
  • Marine permafrost often has a fossil origin, with a barrier effect due to the sea, but also variations in salinity, current, etc. It is all the more advantageous to be able to stabilize such a soil.
  • the ground heat power to freeze or hold gel can be adjusted, so as to control the extension of the carrier zone. This minimizes the energy expenditure by aiming for a minimum extension area, while maintaining a margin of safety of the same order as that used for a conventional foundation.
  • a particular mode for allowing the heat exchange of step c) is to provide thermal conduction through a portion of the shell of the tank, the other part being insulating. It is obviously necessary to give a relative value to these notions of isolation and conduction. Given the temperature of the cryogenic fluid, it is possible to choose the materials and thickness of the tank shell so as to obtain the desired heat transfer coefficient (in W / m 2 / K), in connection with the extension of the desired frozen area.
  • a portion of the shell of the tank comprises a double wall, and the improvement or degradation of the conduction properties is achieved
  • the ground or land Before the installation or construction of the tank, the ground or land may have been modified. It may have been flattened and provided with a seat or slab to receive the tank. By convention, it will be considered throughout this application that these possible modifications of the soil belong to the ground and not to the tank. Thus the tank is in contact with the ground, natural or modified.
  • a cryogenic fluid may be injected prior to the introduction of the tank in step a).
  • This fluid can be another than the one stored. For example, it may be liquid nitrogen.
  • This injection can be continued beyond step a). It can be concomitant with step c) or stop at a given moment. It has the advantage of preconditioning the soil before the reservoir is in place or before the cooling carried out thanks to the cryogenic fluid stored in the reservoir has produced its effects.
  • the invention also relates to a storage installation for a cryogenic fluid, comprising:
  • a tank having a tank containing a cryogenic fluid, the tank resting on or being totally or partially buried in a soil comprising permafrost; and a portion of the ground which is frozen or kept in gel by thermal exchange with the cryogenic fluid, such that said portion of the ground serves as a foundation for the reservoir.
  • the portion of frozen ground may be the only foundation of the tank or come in addition to conventional foundations.
  • the invention can implement one or more of the following features:
  • cryogenic fluid is LNG.
  • the reservoir comprises one or more ballast tanks that can be filled with water and it is partially or totally immersed, said ground comprising permafrost being a seabed.
  • the tank further comprises a shell surrounding said tank, said shell comprising a first thermally insulating part and a second part having an internal surface on the side of the tank and an external surface in contact with said ground portion, said second part being conductive heat, so that at least a portion of said heat exchange is by heat conduction through said second portion of the shell.
  • the second part of the shell having a given composition, said inner and outer surfaces each having a given extension, the second part of the shell is arranged so that:
  • said composition may be selectively modified to selectively increase, or decrease, said thermal conduction through the second portion of the shell;
  • said extension can be selectively adjusted to selectively increase, or decrease, said thermal conduction through the second portion of the shell.
  • the tank may include ballasts. Depending on their filling rate by sea water, they modify the mass of the tank and allow it to sink or rise, so in particular to put it in place by floating at the expected location.
  • ballasts can be installed in or outside the structure.
  • the reservoir must be dimensioned taking into account all the project phases (see for example Eurocode 0, which groups together the standards concerning the bases for calculating structures) and the conditions of safety of people and respect for the environment.
  • the hull that surrounds the cryogenic fluid tank (s) comprises a conventional insulating part, generally in the upper part of the tank. It may also include another less insulating part, or even rather conductor of heat, generally located in the lower part of the tank. This less insulating part is brought into contact with the ground. Thus the heat transfer can be done by conduction, by simple contact with the ground.
  • This floor may have been modified and include a slab, in this case, the conduction is done naturally through the slab.
  • the second, relatively conductive part of the shell is the one in contact with the ground.
  • the first relatively insulating part is generally in contact with the sea or the atmosphere, or with structures that may be on the tank, for example a liquefaction and compression unit, workshops, a control room or living spaces for operating personnel or visitors.
  • the tank is placed on a seabed, we can alternatively use a hull whose second part, more conductive, is in contact not only with the ground, but also with the sea. A layer of ice then forms around the tank and increases its footprint, which can help stabilize it.
  • One embodiment, adapted to the marine case, is to build a tank whose side walls are double-hulled and the single-hull bottom.
  • the installation may include a device for monitoring the thermal gradient between the floor and the bottom of the tank. It may for example include thermocouples arranged under the tank in appropriate locations to determine the extension of the portion of frozen ground.
  • FIG. 1 shows a schematic vertical sectional view of a site for which the invention is particularly suitable
  • FIG. 3 shows a thermal conditioning of the soil according to the invention
  • FIG. 4 and 5 show the construction and a method of installation of the reservoir according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 illustrates an example of a tank according to the invention, in a situation.
  • Figure 1 shows a simplified vertical section of a place, in the vicinity of the Arctic Circle, for which the invention is particularly suitable.
  • Soil 4 belongs to the continental shelf. Sea 7 is shallow.
  • the soil includes permafrost 5, often of fossil origin. It is surmounted by a layer 6 which is not permafrost, that is to say that it does not remain frozen two years in a row.
  • the presence of the sea 7 however introduces an additional complexity compared to the terrestrial case. Indeed, the temperature of the sea 7, its state (taken in ice or not), its salinity (sensitive to the break-up of the rivers), the presence of drifting ice and the marine currents vary and can aggravate the instability of the ground 4 .
  • Figure 2 illustrates a possible modification of the ground 4, prior to the establishment of an LNG tank. This includes dredging that has removed part of layer 6, leveled the seabed, and possibly created an access channel (not shown) for vessels to approach the tank. A horizontal slab 1 1 was cast. It is intended to receive the tank. Again, it will be considered that any such soil modifications are part of soil 4, which can therefore be a natural or artificial soil.
  • Figure 3 shows a soil conditioning 4 of injecting for example liquid nitrogen 12 directly into the soil 4, so as to obtain a portion of frozen soil. This conditioning prepares soil 4 for setting up the tank. This injection may continue after commissioning the tank.
  • the tank 2 is assembled in a refit block 2a located at a distance from the site where the tank must be installed. It is equipped with ballasts 9, allowing it to float once the hold 2a has been flooded. As shown in Figure 5, the tank 2, floating, is towed by a ship 2b to the site. Then, the ballasts 9 are filled with seawater and the tank 2 is "poured" where it must be put in place.
  • the reservoir may be made of any suitable material, chosen in particular for its mechanical and / or thermal properties.
  • Figure 6 shows the tank 2 in situ, once in place in the ground 4.
  • the tank is partially emerged and may include superstructures (not shown), including liquefaction, vaporization and compression of LNG. Possible connections between the tank 2 and the mainland (pipelines, electric cables) have not been shown.
  • LNG 1 is injected after liquefaction in at least one storage tank 3.
  • This is surrounded by a shell formed of a thermally insulating first portion 10a, comprising double vertical side walls and an insulating apron, and a second portion 10b which is more heat conducting or less insulating.
  • This second part 10b is in contact with the ground 4, which may possibly comprise a retaining slab January 1.
  • the shell comprises an inner surface 10c on the side of the tank 3 and an outer surface 10d in contact in particular with the ground 4, the sea 7 and the atmosphere.
  • the cold LNG 1 communicates to the ground 4 by conduction through the second portion 10b of the hull. It thus forms a portion of soil 8 frozen permanently. This constitutes a "natural" foundation for the tank 2.
  • the injection of liquid nitrogen 12 described in FIG. 3 can provide additional cooling, either temporarily, for example, as long as the conduction is not steady state. or at certain times, either permanently. It is possible to play on the thermal properties (conductivity) of the second part 10b of the shell or to vary it in extension, in order to modulate the heat transfer.
  • the tank 2 may also comprise conventional foundations (not shown), for example consisting of piles.
  • the portion of frozen soil 8 then plays the role of a foundation supplement. It mechanically carries the tank 2 without receiving all the mechanical effort.

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Abstract

Procédé de stockage d'un fluide cryogénique (1), mettant en œuvre un réservoir (2) comprenant au moins une cuve (3) apte à contenir le fluide cryogénique (1), le procédé comprenant les étapes suivantes : a) mise en place du réservoir (2) sur, dans, ou partiellement dans, un sol (4) comprenant du pergélisol (5); b) injection du fluide cryogénique (1) dans la cuve (3); et c) échange thermique entre le fluide cryogénique (1) et le sol (4), pour geler et/ou maintenir en gel une portion (8) du sol (4), de façon à ce que ladite portion (8) du sol (4) serve de fondation au réservoir (2).

Description

Procédé et dispositif de stockage d'un fluide cryogénique adaptés aux sols comprenant du pergélisol.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de stockage d'un fluide cryogénique adaptés aux sols comprenant du pergélisol.
Les fluides concernés sont produits par des techniques faisant appel à la cryogénie et sont typiquement à des températures inférieures à -150°C (123 K). On peut citer comme exemple, le gaz naturel liquéfié, ou GNL, à environ -161 °C, ou encore l'azote et l'oxygène liquides.
Pour stocker de tels fluides, il est connu d'utiliser des réservoirs comprenant au moins une cuve adaptée aux basses températures et d'entourer cette cuve de moyens d'isolation très efficaces, afin de minimiser les déperditions thermiques entre le fluide et l'environnement extérieur. En général, ces moyens s'apparentent à une coque d'acier ou de béton entourant la cuve et comprenant des matériaux très isolants tels que la perlite. En outre, pour éviter que le sol ne gèle, il arrive qu'on dispose des moyens de chauffage tels que des résistances électriques sous le réservoir. Ces contraintes d'isolation valent non seulement pour les réservoirs réalisés en surface, mais aussi pour ceux réalisé dans le roc.
Etant donné leur structure et leurs dimensions, les réservoirs sont très lourds et, suivant la qualité mécanique du sol, il est souvent nécessaire de réaliser des fondations coûteuses en investissement comme en durée de construction. En outre, ces fondations laissent des traces dans l'environnement ou rendent difficile le démantèlement des réservoirs.
Dans des milieux comme les zones polaires ou sub-polaires, la construction des réservoirs est problématique pour au moins deux raisons, d'une part, du fait de conditions climatiques particulièrement inhospitalières et, d'autre part, en raison de l'instabilité du sol due notamment à la présence dans le sol de pergélisol (ou permafrost) en surface ou à une certaine profondeur. Le pergélisol est un sol ou une partie du sol naturellement gelée pendant au moins deux ans. Le sol subit en fait des cycles de gel/dégel partiels dus aux variations saisonnières du climat. L'extension des zones du sol concernées par le pergélisol varie aussi en fonction de l'évolution du climat. La limite entre sol gelé et sol non gelé évolue donc en fonction de paramètres climatiques et environnementaux complexes.
La présente invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire en particulier de fournir un procédé de stockage d'un fluide cryogénique dans une zone où le sol comprend du pergélisol, qui permettent notamment de réduire le coût et/ou la durée de construction et son impact sur l'environnement.
La solution de l'invention porte sur un procédé de stockage d'un fluide cryogénique, mettant en œuvre un réservoir comprenant au moins une cuve apte à contenir le fluide cryogénique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) mise en place du réservoir sur, dans, ou partiellement dans, un sol comprenant du pergélisol ;
b) injection du fluide cryogénique dans la cuve ; et
c) échange thermique entre le fluide cryogénique et le sol, pour geler et/ou maintenir en gel une portion du sol, de façon à ce que ladite portion du sol serve de fondation au réservoir.
A l'étape a), par « mise en place », on veut dire que le réservoir est soit construit sur place, ou bien construit ailleurs et amené sur place, ou bien encore qu'il est partiellement préfabriqué, puis assemblé sur place. Il peut être posé sur le sol. Il peut être totalement enterré dans le sol. Il peut être partiellement enterré.
Le sol considéré comprend du pergélisol à sa surface et/ou plus en profondeur. L'échange thermique dont il est question à l'étape c) a lieu entre un fluide à une température inférieure au égale à -150°C et le sol environnant le réservoir. Selon un mode particulier, il se fait directement à travers les parois du réservoir et une éventuelle dalle faisant partie du sol modifié.
Selon un autre mode, on fait circuler par des moyens appropriés le fluide cryogénique dans le sol. Selon un autre mode, l'échange se fait indirectement via un fluide qui échange à la fois avec le fluide cryogénique et le sol.
La chaleur (relative) du sol se transmet au fluide cryogénique, ce qui revient à dire que le fluide cryogénique cède du froid au sol. Ce refroidissement du sol permet de le geler ou de le maintenir en gel sur une zone d'extension donnée. La portion de sol gelé n'est pas nécessairement au contact du réservoir, mais subit les efforts imprimés au sol par le réservoir. Ceci a pour effet de stabiliser le sol au voisinage du réservoir, en évitant son dégel. Ceci a l'avantage de palier les effets climatiques saisonniers (gel/dégel) ou bien encore ceux d'un changement du climat dans le sens d'un réchauffement qui ferait reculer le pergélisol. Les déformations du sol au cours du temps, qu'elles soient naturelles ou dues au réservoir, sont atténuées.
Le sol ainsi stabilisé sert de fondation naturelle au réservoir. Connaissant la rhéologie du sol, on peut déterminer quelle extension de la zone gelée doit être obtenue ou maintenue pour obtenir cet effet. A priori, on vise une extension minimale, avec une marge de sécurité, car cet échange thermique coûte de l'énergie prélevée dans le fluide cryogénique.
Un paramètre à prendre en compte est la présence éventuelle d'éléments de soutènement allégeant le réservoir. Dans ce cas, la zone gelée coopère avec ces éléments pour porter mécaniquement le réservoir, sans subir de déformation excessive.
Selon un mode préféré, il n'y a pas d'éléments de soutènement venant diminuer l'effort imprimé par le réservoir sur le sol.
Selon des modes de réalisations particuliers, l'invention peut mettre en œuvre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- ledit fluide cryogénique est du gaz naturel liquéfié (GNL). - ledit sol est un fond marin et, à l'étape a), le réservoir est amené par flottaison, puis est immergé en remplissant un ou plusieurs ballasts. Ces ballasts peuvent être temporaires ou définitifs. Par « temporaire », on entend qu'ils ne font pas partie du réservoir installé sur son site.
- à l'étape c), ladite portion de sol maintenue en gel possédant une extension donnée et l'échange thermique ayant une puissance donnée, cette puissance est ajustée de manière à contrôler l'extension de ladite portion de sol.
- la cuve apte à contenir le fluide cryogénique étant entourée d'une coque, une première partie de ladite coque est isolante et l'échange thermique de l'étape c) comprend une conduction thermique à travers une seconde partie de ladite coque, ladite seconde partie étant en contact avec ladite portion de sol.
- à l'étape c), ladite seconde partie de la coque possédant des propriétés de conduction thermique données et ladite conduction thermique à travers une seconde partie de ladite coque se faisant à une puissance de conduction donnée, ladite seconde partie de la coque est modifiée de manière à améliorer ou à dégrader les propriétés de conduction pour contrôler ladite puissance de conduction.
- à l'étape a), préalablement à la pose du réservoir sur le sol, le sol est aplani et doté d'une assise apte à recevoir le réservoir.
- préalablement à la mise en place du réservoir sur le sol réalisée à l'étape a), un fluide cryogénique est injecté dans le sol de manière à geler ou maintenir en gel ladite portion de sol, de sorte que ladite portion de sol puisse porter mécaniquement le réservoir.
Le fait d'immerger totalement ou partiellement le réservoir et de le placer sur un fond marin présente l'avantage qu'il peut être construit ailleurs et amené in situ par exemple par flottaison. En outre, après son démantèlement, il ne laissera pas de traces sur la terre ferme, tout au plus le fond marin aura été un peu modifié. Le choix d'un réservoir sur la terre ferme (on-shore) ou en mer (offshore) est lié à des contraintes de réglementation, d'accessibilité voire de faisabilité de la construction à terre. L'invention permet d'envisager une installation sur le fond marin en réduisant le poids, le volume des installations et ainsi en diminuant l'impact sur les fonds marins. On peut ainsi obtenir une plus grande pérennité des installations, quelle que soit l'évolution du pergélisol du fond marin.
L'invention est particulièrement bien adaptée à un fond marin comprenant du pergélisol. En effet, l'évolution saisonnière et dans le long terme du fond marin est moins connue et plus difficile à prévoir que celle des sols terrestres. Le pergélisol marin a souvent une origine fossile, avec un effet de barrière dû à la mer, mais aussi des variations de salinité, de courant, etc. Il est d'autant plus avantageux de pouvoir stabiliser un tel sol.
En outre, la puissance thermique prise au sol à geler ou à maintenir en gel peut être ajustée, de façon à contrôler l'extension de la zone porteuse. Ceci permet de minimiser la dépense d'énergie, en visant une zone d'extension minimale, tout en conservant une marge de sécurité du même ordre que celle utilisée pour une fondation classique.
Un mode particulier pour permettre l'échange thermique de l'étape c) est de prévoir une conduction thermique à travers une partie de la coque du réservoir, l'autre partie étant isolante. Il faut évidemment donner une valeur relative à ces notions de d'isolation et de conduction. Etant donnée la température du fluide cryogénique, on peut choisir les matériaux et l'épaisseur de la coque du réservoir de manière à obtenir le coefficient de transfert thermique (en W/m2/K) voulu, en liaison avec l'extension de la zone gelée souhaitée.
En particulier, il est possible de contrôler la puissance surfacique de conduction (en W/m2) en jouant sur le remplissage ou la composition d'une coque constituée d'une double paroi. Il est également possible de prévoir des ponts thermiques modulables entre ces deux parois. Ainsi, selon un autre mode de l'invention, une partie de la coque du réservoir comprend une double paroi, et l'amélioration ou la dégradation des propriétés de conduction est réalisée
- soit en modifiant le remplissage de la double paroi par un liquide ; - soit en modifiant la composition d'un liquide contenu dans la double paroi ;
- soit en réalisant des ponts thermiques modulables entre ces deux parois.
Avant la pose ou la construction du réservoir, le sol, terrestre ou marin, peut avoir été modifié. Il peut avoir été aplani et doté d'une assise ou d'une dalle pour recevoir le réservoir. Par convention, on considérera dans toute cette demande que ces éventuelles modifications du sol appartiennent au sol et non au réservoir. Ainsi le réservoir est en contact avec le sol, naturel ou modifié.
De façon à préparer le sol qui ne serait pas approprié, un fluide cryogénique peut être injecté préalablement à la mise en place du réservoir à de l'étape a). Ce fluide peut être un autre que celui stocké. Par exemple, il peut s'agir d'azote liquide. Cette injection peut se prolonger au-delà de l'étape a). Elle peut être concomitante avec l'étape c) ou bien cesser à un moment donné. Elle présente l'avantage de préconditionner le sol avant que le réservoir soit en place ou avant que le refroidissement opéré grâce au fluide cryogénique stocké dans le réservoir n'ait produit ses effets.
L'invention concerne également une installation de stockage d'un fluide cryogénique, comprenant :
- un réservoir doté d'une cuve contenant un fluide cryogénique, le réservoir reposant sur ou étant totalement ou partiellement enterré dans un sol comprenant du pergélisol ; et - une portion du sol gelée ou maintenue en gel par échange thermique avec le fluide cryogénique, de telle sorte que ladite portion du sol serve de fondation au réservoir.
La portion de sol gelé peut être la seule fondation du réservoir ou venir en complément de fondations classiques.
Selon des modes de réalisations particuliers, l'invention peut mettre en œuvre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le fluide cryogénique est du GNL.
- le réservoir comprend un ou plusieurs ballasts pouvant être remplis d'eau et il est partiellement ou totalement immergé, ledit sol comprenant du pergélisol étant un fond marin.
- le réservoir comprend en outre une coque entourant ladite cuve, ladite coque comprenant une première partie isolante thermiquement et une seconde partie présentant une surface interne du côté de la cuve et une surface externe en contact avec ladite portion de sol, ladite seconde partie étant conductrice de la chaleur, de sorte qu'au moins une partie dudit échange thermique se fasse par conduction thermique à travers ladite seconde partie de la coque.
- ladite seconde partie de la coque ayant une composition donnée, lesdites surfaces interne et externe possédant chacune une extension donnée, la seconde partie de la coque est agencée de manière à ce que :
+ ladite composition puisse être sélectivement modifiée de manière à sélectivement augmenter, ou diminuer, ladite conduction thermique à travers la seconde partie de la coque ; et/ou
+ ladite extension puisse être sélectivement ajustée de manière à sélectivement augmenter, ou diminuer, ladite conduction thermique à travers la seconde partie de la coque.
- ladite coque comprenant une portion en contact avec le sol, ladite seconde partie consiste en ladite portion de la coque. Le réservoir peut comporter des ballasts. En fonction de leur taux de remplissage par de l'eau de mer, ils modifient la masse du réservoir et permettent de le faire couler ou remonter, de façon notamment à pouvoir le mettre en place par flottaison à l'endroit prévu.
Si le réservoir est amené sur site par flottaison, les contraintes de flottabilité et de stabilité pendant la phase de transport doivent être prises en compte. Il s'agit notamment de minimiser les impacts sur la stabilité du réservoir sur son site définitif, posé sur ou dans le sol, soumis à la force d'Archimède (cas des réservoirs vides), aux poussées latérales des vagues, marées et glaces, aux efforts d'amarrage et d'accostage de navires, etc. Pour ce faire, des ballasts définitifs et/ou provisoires peuvent être installés dans ou à l'extérieur de l'ouvrage.
Le réservoir doit être dimensionné en tenant compte de l'ensemble des phases de projet (cf. par exemple Eurocode 0 qui regroupe les normes concernant les bases du calcul des structures) et des conditions de sécurité des personnes et de respect de l'environnement.
La coque qui entoure la ou les cuves de fluide cryogénique comprend un partie isolante classique, en général dans la partie supérieure du réservoir. Elle peut aussi comprendre une autre partie moins isolante, voire plutôt conductrice de la chaleur, située en général dans la partie inférieure du réservoir. Cette partie moins isolante est amenée à être en contact avec le sol. Ainsi le transfert thermique peut se faire par conduction, par simple contact avec le sol. Ce sol peut avoir été modifié et comporter une dalle, dans ce cas, la conduction se fait naturellement au travers de la dalle.
De façon à contrôler l'extension de la portion de sol gelée, liée à l'ampleur du transfert thermique, on peut modifier les propriétés de la seconde partie de la coque. On peut par exemple changer sa composition interne, en la remplissant plus ou moins, ou avec des matériaux de conductivité différente. On peut aussi créer ou supprimer des ponts thermiques. On peut encore augmenter ou diminuer la surface externe de la seconde partie. Selon un mode particulier, la seconde partie, relativement conductrice, de la coque est celle en contact avec le sol. La première partie, relativement isolante est en général en contact avec la mer ou l'atmosphère, ou encore des avec structures pouvant se trouver sur le réservoir, par exemple une unité de liquéfaction et de compression, des ateliers, une salle de contrôle ou des espaces de vie pour le personnel exploitant ou les visiteurs.
Si le réservoir est mis en place sur un fond marin, on peut utiliser de manière alternative une coque dont la seconde partie, plus conductrice, est en contact non seulement avec le sol, mais aussi avec la mer. Une couche de glace se forme alors autour du réservoir et vient augmenter son emprise au sol, ce qui peut contribuer à sa stabilisation.
Un mode de réalisation, adapté au cas marin, est de construire un réservoir dont les parois latérales sont à double coque et le fond à simple coque.
L'installation peut comporter un dispositif de surveillance du gradient thermique entre le sol et le fond du réservoir. Il peut par exemple comprendre des thermocouples disposés sous le réservoir dans des endroits appropriés permettant de déterminer l'extension de la portion de sol gelé.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe verticale d'un site pour lequel l'invention est particulièrement adaptée ;
- la figure 2 représente une modification préalable du sol conforme à l'invention ;
- la figure 3 représente un conditionnement thermique du sol conforme à l'invention; - les figures 4 et 5 montrent la construction et une méthode de mise en place du réservoir conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 illustre un exemple de réservoir conforme à l'invention, en situation.
Pour des raisons de clarté, les dimensions des différents éléments représentés sur ces figures ne sont pas nécessairement en proportion avec leurs dimensions réelles. Sur les figures, des références identiques correspondent à des éléments identiques.
La figure 1 montre une coupe verticale simplifiée d'un lieu, aux environs du cercle polaire arctique, pour lequel l'invention est particulièrement adaptée. Le sol 4 appartient au plateau continental. La mer 7 est peu profonde. Le sol comprend du pergélisol 5, souvent d'origine fossile. Il est surmonté d'une couche 6 qui n'est pas du pergélisol, c'est-à- dire qu'elle ne reste pas gelée deux ans de suite.
La coupe serait un peu la même pour un sol terrestre, la mer en moins. La présence de la mer 7 introduit toutefois une complexité supplémentaire par rapport au cas terrestre. En effet, la température de la mer 7, son état (prise en glace ou non), sa salinité (sensible à la débâcle des fleuves), la présence de glace dérivante et les courants marins varient et peuvent aggraver l'instabilité du sol 4.
La figure 2 illustre une modification éventuelle du sol 4, préalablement à la mise en place d'un réservoir de GNL. Celle-ci comprend ici un dragage qui a éliminé une partie de la couche 6, nivelé le fond marin et éventuellement créé un chenal d'accès (non-représenté) pour que des navires puissent s'approcher du réservoir. Une dalle horizontale 1 1 a été coulée. Elle est destinée à recevoir le réservoir. A nouveau, on considérera que ces modifications éventuelles du sol font partie du sol 4, qui peut donc être un sol naturel ou artificiel.
La figure 3 montre un conditionnement du sol 4 consistant à injecter par exemple de l'azote liquide 12 directement dans le sol 4, de manière à obtenir une portion de sol gelé. Ce conditionnement prépare le sol 4 à la mise en place du réservoir. Cette injection peut se poursuivre après la mise en service du réservoir.
A la figure 4, le réservoir 2 est assemblé dans une cale de radoub 2a située à une certaine distance du site où le réservoir doit être installé. Il est doté de ballasts 9, permettant de le faire flotter une fois que la cale 2a a été inondée. Comme le montre la figure 5, le réservoir 2, flottant, est remorqué par un navire 2b jusqu'au site. Ensuite, les ballasts 9 sont remplis d'eau de mer et le réservoir 2 est « coulé » à l'endroit où il doit être mis en place. Le réservoir peut être constitué de tout matériau approprié, choisi notamment pour ses propriétés mécaniques et/ou thermiques.
La figure 6 montre le réservoir 2 en situation, une fois mis en place dans sur le sol 4. Le réservoir est partiellement émergé et peut comporter des superstructures (non-représentées), notamment pour la liquéfaction, la vaporisation et la compression du GNL. Des connexions éventuelles entre le réservoir 2 et la terre ferme (pipelines, câbles électriques) n'ont pas été représentées.
Le GNL 1 est injecté après sa liquéfaction dans au moins une cuve 3 de stockage. Celle-ci est entourée par une coque formée d'une première partie 10a isolante thermiquement, comprenant des doubles parois latérales verticales et un tablier isolants, et d'une seconde partie 10b plus conductrice de la chaleur ou moins isolante. Cette seconde partie 10b est en contact avec le sol 4, qui peut éventuellement comprendre une dalle de soutènement 1 1 . La coque comprend une surface interne 10c du côté de la cuve 3 et une surface externe 10d en contact notamment avec le sol 4, la mer 7 et l'atmosphère.
Le froid du GNL 1 se communique au sol 4 par conduction à travers la seconde partie 10b de la coque. Il se forme ainsi une portion de sol 8 gelée en permanence. Celle-ci constitue une fondation « naturelle » pour le réservoir 2. L'injection d'azote liquide 12 décrite à la figure 3 peut apporter un complément de refroidissement, soit temporairement, par exemple tant que la conduction n'est pas en régime établi ou bien à certains moments, soit en permanence. Il est possible de jouer sur les propriétés thermiques (conductivité) de la seconde partie 10b de la coque ou de la faire varier en extension, afin de moduler le transfert thermique.
Le réservoir 2 peut aussi comprendre des fondations classiques (non représentées), par exemple constituées de pieux. La portion de sol gelé 8 joue alors le rôle d'un complément de fondation. Elle porte mécaniquement le réservoir 2 sans pour autant recevoir tout l'effort mécanique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de stockage d'un fluide cryogénique (1 ), mettant en œuvre un réservoir (2) comprenant au moins une cuve (3) apte à contenir le fluide cryogénique (1 ), le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) mise en place du réservoir (2) sur, dans, ou partiellement dans, un sol (4) comprenant du pergélisol (5) ;
b) injection du fluide cryogénique (1 ) dans la cuve (3) ; et
c) échange thermique entre le fluide cryogénique (1 ) et le sol (4), pour geler et/ou maintenir en gel une portion (8) du sol (4), de façon à ce que ladite portion (8) du sol (4) serve de fondation au réservoir (2) ;
et étant caractérisé en ce que ledit sol (4) est un fond marin et, à l'étape a), le réservoir (2) est amené par flottaison, puis est immergé en remplissant un ou plusieurs ballasts (9).
2. Procédé de stockage selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique (1 ) est du gaz naturel liquéfié (GNL).
3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que, à l'étape c), ladite portion de sol (8) possédant une extension donnée et l'échange thermique ayant une puissance donnée, cette puissance est ajustée de manière à contrôler l'extension de ladite portion de sol (8) maintenue en gel.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, la cuve (3) apte à contenir le fluide cryogénique (1 ) étant entourée d'une coque (10a, 10b), une première partie (10a) de ladite coque est isolante et l'échange thermique de l'étape c) comprend une conduction thermique à travers une seconde partie (10b) de ladite coque, ladite seconde partie (10b) étant en contact avec ladite portion de sol (8).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, à l'étape c), ladite seconde partie (10b) de la coque possédant des propriétés de conduction thermique données et ladite conduction thermique à travers une seconde partie de ladite coque se faisant à une puissance de conduction donnée, ladite seconde partie (10b) de la coque est modifiée de manière à améliorer ou à dégrader les propriétés de conduction pour contrôler ladite puissance de conduction, une fois la mise en place du réservoir (2) effectuée.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde partie (10b) de la coque comprend une double paroi,
et en ce que l'amélioration ou la dégradation des propriétés de conduction est réalisée en modifiant le remplissage de la double paroi par un liquide.
7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde partie (10b) de la coque comprend une double paroi,
et en ce que l'amélioration ou la dégradation des propriétés de conduction est réalisée en modifiant la composition d'un liquide contenu dans la double paroi.
8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde partie (10b) de la coque comprend deux parois,
et en ce que l'amélioration ou la dégradation des propriétés de conduction est réalisée par des ponts thermiques modulables entre ces deux parois.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, à l'étape a), préalablement à la pose du réservoir (2) sur le sol (4), le sol (4) est aplani et doté d'une assise (1 1 ) apte à recevoir le réservoir (2).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, préalablement à la mise en place du réservoir (2) sur le sol (4) réalisée à l'étape a), un fluide cryogénique (12) est injecté dans le sol (4) de manière à geler ou maintenir en gel ladite portion de sol (8), de sorte que ladite portion de sol (8) puisse porter mécaniquement le réservoir (2).
1 1 . Installation de stockage d'un fluide cryogénique (1 ), comprenant :
- un réservoir (2) doté d'une cuve (3) contenant un fluide cryogénique (1 ), le réservoir (2) reposant sur ou étant totalement ou partiellement enterré dans un sol (4) comprenant du pergélisol (5) ; et
- une portion (8) du sol (4) gelée ou maintenue en gel par échange thermique avec le fluide cryogénique (1 ), de telle sorte que ladite portion (8) du sol serve de fondation au réservoir (2) ;caractérisée en ce que le réservoir (2) comprend un ou plusieurs ballasts (9) pouvant être remplis d'eau et qu'il est partiellement ou totalement immergé, ledit sol (4) comprenant du pergélisol (5) étant un fond marin.
12. Installation de stockage selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que le fluide cryogénique (1 ) est du GNL.
13. Installation de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 12, caractérisée en ce que le réservoir (2) comprend en outre une coque entourant ladite cuve (3), ladite coque comprenant une première partie (10a) isolante thermiquement et une seconde partie (10b) présentant une surface interne (10 c) du côté de la cuve (3) et une surface externe (10d) en contact avec ladite portion de sol (8), ladite seconde partie (10b) étant conductrice de la chaleur, de sorte qu'au moins une partie dudit échange thermique se fasse par conduction thermique à travers ladite seconde partie (10b) de la coque.
14. Installation de stockage selon la revendication 13, caractérisée en ce que ladite seconde partie (10b) de la coque ayant une composition donnée, lesdites surfaces interne (10c) et externe (10d) possédant chacune une extension donnée, la seconde partie (10b) de la coque est agencée de manière à ce que :
- ladite composition puisse être sélectivement modifiée de manière à sélectivement augmenter, ou diminuer, ladite conduction thermique à travers la seconde partie (10b) de la coque ; et/ou
- ladite extension puisse être sélectivement ajustée de manière à sélectivement augmenter, ou diminuer, ladite conduction thermique à travers la seconde partie (1 Ob) de la coque.
15. Installation de stockage selon l'une quelconque des revendications 13 à 14, caractérisée en ce que ladite coque comprenant une portion en contact avec le sol (4), ladite seconde partie (10b) consiste en ladite portion de la coque.
PCT/FR2011/051937 2010-09-22 2011-08-19 Procédé et dispositif de stockage d'un fluide cryogénique adaptés aux sols comprenant du pergélisol WO2012038632A1 (fr)

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