FR3106644A1 - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique. - Google Patents

Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique. Download PDF

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Abstract

L’invention présente une conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique constituée d’une pluralité de segments formés par un module et une bride de raccordement avec le segment consécutif, caractérisé en ce que lesdits segments comportent au moins une cavité de flottabilité positive remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.

Description

Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique.
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine de l’énergie thermique des mers (ETM) ou énergie maréthermique ou hydrothermique (en anglais OTEC, pour « Ocean thermal energy conversion »). Il s’agit de la production d’énergie renouvelable, notamment électrique, par l’exploitation de la différence de température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans.
Dans son livre, Vingt mille lieues sous les mers, Jules Vernes évoquait déjà l’utilisation des « eaux de surface et les eaux profondes des océans pour produire de l'électricité ». Cette idée a été développée par le physicien français Arsène d'Arsonval, puis Georges Claude, sous la forme d’un circuit fermé.
Le principe consiste à produire l'énergie grâce à un fluide de travail (eau de mer, ammoniac ou un autre fluide dont le point de condensation est proche de 4 °C). Ce fluide passe de l’état liquide à l’état vapeur dans l’évaporateur, au contact de l’eau chaude puisée en surface. La pression produite par la vapeur passe dans un turbogénérateur pour faire tourner une turbine et produire de l’électricité, après que le gaz a perdu de la pression, il passe dans un condenseur pour retourner à l’état liquide, au contact de l’eau froide puisée en profondeur.
Une centrale flottante ou côtière fonctionnant sur ce principe suggéré par d'Arsonval en 1881 et expérimentée par Georges Claude requiert pour délivrer une puissance de 100 MW actuellement envisagée un débit d'eau froide d'environ 400 m3/s puisée à 1000 m de profondeur. La puissance nécessaire au pompage est en raison directe de la perte de charge subie par le fluide, elle-même proportionnelle au coefficient de frottement de la paroi et à la longueur de la conduite et, pour un débit donné, inversement proportionnelle à la cinquième puissance du diamètre de la conduite d'aspiration. Ainsi, la limitation de cette puissance impose l'installation d'une conduite de très grand diamètre. Dans ce cas, pour une vitesse d'aspiration voisine de 1 m/s, le diamètre atteint 20 m.
Dans une centrale flottante de production d’énergie hydrothermique, les efforts alternés et aléatoires que la plate-forme flottante sur mer houleuse applique sur une conduite immergée rigides suspendue étaient à l'origine de l'échec des essais effectués par Georges Claude près des côtes cubaines en 1929-1930 et poursuivis au large de Rio de Janeiro de 1934 à 1935. Des causes semblables firent abandonner le projet de l'Ingénieur Nizery près d'Abidjan dans l'immédiat après-guerre.
Pour résoudre ce problème, on a proposé d’utiliser des conduits sous-marins souples, extensible et rétractable entre un état non déployé et un état opérationnel, capable de conduire l'eau de mer d'une extrémité inférieure à une extrémité supérieure à l'état opérationnel, adaptés notamment à une utilisation en zone tropicale où ils doivent généralement résister à des conditions environnementales et météorologiques extrêmes.
Par exemple, un cyclone ou une tempête peut sérieusement endommager la conduite et la rendre inutilisable plus tard.Dans certains cas, il est même nécessaire de remonter le tuyau sur la plateforme flottante, par exemple si un avertissement météo annonçant les tempêtes a été lancé.En règle générale, ces avertissements météorologiques sont disponibles deux à trois jours à l'avance.
Dans les systèmes de tuyaux flexibles connus (voir par exemple le brevet US 4 358 225), le tuyau est constitué d'une succession de modules annulaires qui sont progressivement assemblés les uns aux autres ou démontés.
L’hydrothermie a besoin d’un très grand débit d’eau de mer pour compenser la faible efficacité due au faible gradient de température et de grands diamètres de canalisations pour limiter les pertes de charges, typiquement des tuyaux en PEHD (polyéthylène haute densité) de 1,5 mètre de diamètre. Pour une centrale de 5 MW projetée et un débit de 20 m3/s, le diamètre de la conduite atteint encore 5 m.
Le but de la présente invention est de fournir un système de conduite sous-marin flexible de pompage pour l’alimentation d’une installation de production énergétique hydrothermique.
État de la technique
On connaît dans l’état de la technique le brevet FR3044380B1 conduite de pompage d'eau notamment pour une installation de production d'énergie à partir de l'énergie thermique des mers, réalisée par assemblage de tronçons de conduite souples, à l'aide de brides de liaison rigides, caractérisée en ce que les extrémités en regard des tronçons de conduite comportent des ralingues adaptées pour être engagées dans des gorges de réception correspondantes des brides, en ce que ces brides comportent des passages d'accès à ces gorges pour un outil en forme de crochet de montage/démontage des ralingues et en ce qu'elle comporte des moyens motorisés de mise en rotation relative de la conduite et de l'outil de montage/démontage
On connaît aussi le brevet FR2418898 décrivant un conduit souple composé de sections cylindriques en matière élastique renforcée, reliées les unes aux autres par des cercles en matière rigide, et d'un agencement de câbles s'étendant dans le sens longitudinal du conduit et fixé audit cercle. Le conduit peut être assemblé ou démonté grâce à sa constitution modulaire et composite.
Pour équilibrer le conduit, on a aussi proposé de prévoir une réserve de flottabilité.
Le brevet FR2988424 décrit une solution prévoyant des éléments de flottabilité solidarisés aux pièces de connexion et/ou en sous face de la structure porteuse supérieure pour compenser le poids des conduites flexibles et des divers accessoires.
Le brevet US4497342 décrit un tuyau d'eau froide OTEC conçu pour aspirer l'eau à la surface de l'océan à partir d'une profondeur océanique sélectionnée. L’extrémité proximale du tuyau d'eau froide est fixée à une structure de surface flottante (par exemple, un navire ou une plate-forme amarrée) à la surface de l'océan, et une extrémité distale du tuyau est extensible dans l'océan jusqu'à la profondeur sélectionnée.
Le tuyau d'eau froide comprend une membrane tubulaire en tissu entourée d'anneaux de mise en forme annulaires auxquels la membrane en tissu est fixée.
Le tuyau d'eau froide comprend en outre des éléments de mise en forme annulaires, qui sont configurés comme des anneaux cylindriques qui entourent coaxialement autour de la membrane en tissu. Dans le mode de réalisation préféré, les anneaux de mise en forme sont flottants. Selon une variante décrite dans ce document de l’art antérieur, chaque bague de mise en forme est configurée comme une coque en métal tel que l'acier. La flottabilité peut être assurée en remplissant chaque coque d'anneau de mise en forme avec un matériau flottant tel qu'un matériau en mousse synthétique. Alternativement, la flottabilité peut être obtenue en fabriquant les anneaux de mise en forme de manière à avoir des cavités internes étanches à l'eau. Les anneaux de mise en forme sont fixés à la membrane en tissu à des intervalles également espacés le long de la longueur du tuyau.
La demande de brevet WO2010097528 décrit une installation de liaison fond-surface entre une pluralité de conduites sous-marines reposant au fond de la mer et un support flottant en surface, du type tour hybride multi-riser comprenant :
  1. une tour comprenant :
    1. un tendon vertical,
    2. une pluralité de conduites rigides verticales
    3. une pluralité de moyens de guidage des risers,
    4. des éléments de flottabilité coopérant avec ledit tendon,
  2. une pluralité de conduites de liaison flexible.
La tour comprend une pluralité de modules de flottabilité et de guidage constituant une pluralité de structures indépendantes aptes à coulisser le long dudit tendon et le long desdits risers, ladite structure supportant lesdits éléments de flottabilité et guidant lesdits risers en position de préférence régulièrement et symétriquement répartis autour dudit tendon.
Le brevet US9568133B2 décrit une bride d’accouplement souple entre un premier élément de transport de fluide et un second élément mobiles l'un par rapport à l'autre dans les directions de roulis et de tangage, comprenant un lien articulé qui interconnecte le premier élément de transport de fluide et le deuxième élément et un soufflet souple, imperméable aux fluides adjacent à l'articulé lien, qui comprend une première extrémité fixée au premier élément de transport de fluide et une seconde extrémité fixée au deuxième élément. La bride peut présenter une flottabilité positive pour éviter un repliement du soufflet. La flottabilité de la bride peut être contrôlé en plaçant un ou des éléments flottants dans les canaux orientés radialement vers l'extérieur des anneaux en forme de C d'un ou plusieurs des segments d'anneau.
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car elles conduisent à des coûts de fabrication élevée et des conduits complexes, dont l’installation et la maintenance sont difficiles et nécessitent des interventions menées par des opérateurs très qualifiés.
Solution apportée par l’invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l’invention concerne selon son acception la plus générale une conduite souple constituée d’une pluralité de modules flexibles pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique, les extrémités respectives de deux modules consécutifs étant reliées par une bride de raccordement caractérisé en ce que les segments de raccordement sont constitués par deux extrémités de raccordement et d’un module comprenant une cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
Selon des variantes:
  • les extrémités de chacun desdits modules présentent une protubérance annulaire, et en ce que ladite bride de raccordement vient en appui sur lesdits protubérances annulaires et est pourvue d’un prolongement annulaire définissant ladite cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  • ladite bride est formée de deux flasques complémentaires et par des moyens de serrage longitudinaux, et par un tube définissant ladite cavité toroïdale reliées auxdits flasques par des connecteurs présentant des moyens de fixation coopérant avec lesdits moyens de serrage
  • ladite bride est formée de deux flasques complémentaires et par des moyens de serrage longitudinaux, et l’un au moins desdits flasques présentant un corps rigide présentant une cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  • les extrémités de chacun desdits modules présentent une protubérance annulaire définissant un épaulement transversal, et en ce que ladite bride de raccordement est pourvue d’un prolongement définissant ladite cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
Selon des modes de réalisation particulier:
- ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par de l’huile.
- ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par une mousse syntactique.
- ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par de l'hexane.
De préférence,
- lesdits modules présentent une longueur comprise entre 0,5 mètre et 25 mètres, et de préférence entre 5 mètres et 10 mètres
- lesdits modules présentent un diamètre compris entre 60 centimètres et 600 centimètres, et de préférence entre 1 et 3 mètres.
Avantageusement, lesdits modules sont constitués par des assemblages de panneaux flexibles étanches.
Description détaillée de modes de réalisation non limitatifs
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés illustrant des exemples non limitatifs de réalisation, où:
la figure 1 représente une vue schématique d’une première variante de réalisation
la figure 2 représente une vue d’une seconde variante de réalisation
la figure 3 représente une vue d’une troisième variante de réalisation
la figure 4 représente une vue en coupe d’un exemple de moyen de verrouillage de la bride en position déverrouillée
la figure 5 représente une vue en coupe d’un exemple de moyen de verrouillage de la bride en position de fermeture.
la figure 6 représente une vue en coupe d’un exemple de moyen de verrouillage de la bride en position verrouillée.
Premier mode de réalisation: tubes annelés
La figure 1 représente une vue schématique d’une première variante de réalisation, avec une partie du conduit formé de deux modules (100, 200) consécutifs reliés par une bride (150).
Le modules (100, 200) sont formés par des segments de tube annelé qui peut être soit flexible soit rigide, recouvert d’une peau (102, 202).
Le tube (101, 201) est dans l’exemple décrit en figure 1 annelé à l’extérieur et lisse et cylindrique à l’intérieur. Il est par exemple un tube en PVC ou en PEHD d’un diamètre extérieur variant sinusoïdalement entre 1200 et 1220 millimètres et un diamètre intérieur de 1100 millimètres, et d’une longueur de 6 mètres, avec des parois d’une épaisseur variant entre 80 et 100 millimètres. Il présente une rigidité de CR8 (≥8 kN/ m2).
La peau extérieur (102, 202) entoure le tube (101, 201), sa section intérieure étant d’environ 1220 millimètres, et le canal hélicoïdal (103, 203) formé par l’espace entre la paroi extérieure du tube annelé (101, 201) et la surface intérieure de la peau (102, 202) forme un volume dans lequel est coulé un matériau de densité inférieure à celle de l’eau de mer par exemple une huile ou végétale de densité comprise entre 0,840 et 0,960, un hydrocarbure d’une densité comprise entre 0,6 et 0,8 ou une mousse syntactique d’une densité de l’ordre de 0,6.
Les deux modules consécutifs (100, 200) sont réunis par une bride d’assemblage (150) constituée de deux coques (151, 152) solidarisées par des boulons (153 à 155). Ces coques (151, 152) présentent des épaulements venant en appui sur des extrémités des tubes (101, 102) évasées en forme de tulipe présentant un diamètre extérieur de 1380 millimètres.
Deuxième mode de réalisation: tube de flottaison entourant la bride
Ce deuxième mode de réalisation n’est pas exclusif du premier mode de réalisation. Il est parfaitement possible d’ajouter à une réalisation conforme au premier mode des anneaux de flottabilités (160) venant se fixer sur la bride (150).
Les modules (100, 200) sont réalisés dans l’exemple décrit en un matériau souple, par exemple en polyéthylène haute densité (PEHD) de 1,5mètre de diamètre dans l’exemple non limitatif décrit, et d’une longueur de 5 mètres chacun. Ils sont avantageusement réalisés par assemblages de feuilles (201 À 208) caoutchouc ou autre ou matériau étanche, reliés par des coutures étanches pour former un tuilage.
Les deux extrémités des modules (100, 200) présentent des sections annulaires (110, 120; 210, 220) de plus grande section pour former des épaulements destinés à l’accrochage d’une bride de liaison formée de deux flasques (130, 140; 230, 240).
Ces deux flasques (130, 140; 230, 240) présentent une jupe tubulaire (131, 231) dont la section intérieure correspond à la section extérieure de la sections annulaires (110, 120; 210, 220), et une restriction discale (132, 232) sont réunies par des boulons (131, 132; 231, 232) correspondant à la surface frontale des épaulements formés par les sections annulaires (110, 120; 210, 220) et des oreilles transversales (134 à 136) pour la liaison par les boulons (137; 138).
Des raccords périphériques (150, 160) fixés par les mêmes boulons (137; 138) sur les brides assurent le maintien de tubes de flottabilité positive (180, 280) contenant un élément de densité inférieure à celle de l’eau de mer, par exemple une huile minérale ou végétale, de densité comprise entre 0,840 et 0,960, un hydrocarbure d’une densité comprise entre 0,6 et 0,8 ou une mousse syntactique d’une densité de l’ordre de 0,6.
Le volume de la cavité torique formée par le tube (180, 280) est défini pour compenser le poids du module et du raccord dans l’eau de mer.
Troisième mode de réalisation: réserve de flottabilité toroïdale intégrée au module
Ce troisième mode de réalisation n’est pas non plus exclusif des deux premiers modes de réalisation. La solution d’une réserve de flottabilité toroïdale intégrée au module peut être associé aux solutions susvisées.
Selon ce troisième mode, le tube (100) présente une extrémité élargie (106) de forme tubulaire ou toroïdale, creuse pour former une cavité torique (180, 181; 280) définie pour compenser le poids du module et du raccord dans l’eau de mer.
La bride d’assemblage (150) est formée de deux flasques discales réunies par des boulons. Ces modules comportent aussi des éléments de renfort verticaux ou hélicoïdaux afin de limiter les déplacements de la conduite lors de l’écoulement de l’eau froide pompée à l’intérieur de la conduite et aussi des efforts de trainées ou de résistance du tuyau dans le milieu environnement marin, des courants marins.
Les brides comportent aussi plusieurs anneaux entre 4 et 8 par brides afin de pouvoir garder la conduite dans une position verticale. La structure est donc composée de 4 lignes à 8 lignes liées à la plateforme, tenant un corps mort de poids suffisant permettant de pallier aux efforts de trainée de la conduite.
Pour alléger la conduite, la bride d’assemblage peut être réalisée en fibre de verre.
Système de verrouillage à came
La liaison des flasques de la bride par boulons peut être remplacée par un verrouillage (600) par un système levier-came illustré par les figures 4 et 5, constitué par un levier (310) articulé par rapport à un axe transversal (315) lié à l’une des flasques (130). L’autre extrémité du levier (310) porte un second axe (325) parallèle au premier axe (315).
Ce second axe (325) assure l’articulation d’une came (350) par rapport au levier (310). Cette came (350) présente un levier (351) et une partie recourbée définissant une surface de glissement (352) dont le rayon, par rapport à l’axe (325), évolue entre une valeur minimale, pour augmenter jusqu’à une valeur correspondant la distance entre les deux axes (315, 325) moins l’épaisseur cumulée des deux flasques (130, 140), puis pour diminuer très légèrement pour assurer une position de verrouillage stable.
Un joint torique (330) compressible est disposé dans une gorge entre les deux flasques (130, 140).
Le fonctionnement est le suivant:
On bascule d’abord l’ensemble en faisant pivoter de 90° le levier (310) supportant la came (350) de telle sorte que l’axe (325) se trouve aligné à la verticale de l’axe (315). Pendant ce mouvement, la came (350) conserve son orientation initiale par rapport au levier (310), et sa surface de glissement (325) vient en appui contre la surface inférieure de la flasque (140), avec un jeu en raison du rayon réduit dans cette position.
L’étape suivante consiste à faire pivoter la came (350) autour de son axe (325) d’un angle légèrement supérieur à 90°. A 90°, la came (350) assure le serrage maximum des deux flasques (130, 140). En dépassant cet angle, le rayon de courbure se réduisant légèrement, on trouve une position de relaxation stable dans laquelle la came (350) assure de manière durable le verrouillage des deux flasques (130, 140).
Structure de maintien
Afin d’assurer le maintien de l’extrémité distale du conduit, une solution consiste à prévoir un lest relié à la plateforme par des câbles passant de manière coulissante dans des guidages prévus dans les brides de raccordement des modules de conduit. Les modules présentent une flottabilité neutre, et il n’y a donc pas de gradient de masse s’exerçant sur le conduit, dont la verticalité est assurée par les câbles reliant le lest à la plateforme.

Claims (15)

  1. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique constituée d’une pluralité de segments formés par un module (100, 200) et une bride (150) de raccordement avec le segment consécutif, caractérisé en ce que lesdits segments comportent au moins une cavité (103, 203,180) de flottabilité positive remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  2. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules (100, 200) sont constitués par un tube annelé (101, 201) revêtu d’une peau extérieure (102, 202), l’espace (103, 203) compris entre la surface extérieure annelée et ladite peau constituant ladite cavité de flottabilité positive.
  3. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les extrémités de chacun desdits modules (100, 200) présentent une protubérance annulaire, et en ce que ladite bride de raccordement vient en appui sur lesdits protubérances annulaires et est pourvue d’un prolongement annulaire définissant ladite cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  4. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que module (100, 200) comprenant une cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  5. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite bride est formée de deux flasques complémentaires et par des moyens de serrage longitudinaux, et par un tube définissant ladite cavité toroïdale reliées auxdits flasques par des connecteurs présentant des moyens de fixation coopérant avec lesdits moyens de serrage.
  6. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite bride est formée de deux flasques complémentaires et par des moyens de serrage longitudinaux, et l’un au moins desdits flasques présentant un corps rigide présentant une cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  7. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les extrémités de chacun desdits modules présentent une protubérance annulaire définissant un épaulement transversal, et en ce que ladite bride de raccordement est pourvue d’un prolongement définissant ladite cavité toroïdale remplie d’un matériau de densité inférieure à l’eau de mer.
  8. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par de l’huile.
  9. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par une mousse syntactique.
  10. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau de densité inférieure à l’eau de mer est constitué par de l'hexane.
  11. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules présentent une longueur comprise entre 0,5 mètres et 25 mètres, et de préférence entre 5 mètres et 10 mètres.
  12. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules présentent un diamètre compris entre 60 centimètres et 600 centimètres, et de préférence entre 1 et 3 mètres.
  13. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules (100, 200) sont constitués par des assemblages de panneaux flexibles étanches.
  14. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules (100, 200) sont constitués par des tubes rigides.
  15. - Conduite pour l’alimentation d’une unité de production d’énergie hydrothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modules (100, 200) sont reliés par une bride d’assemblage comprenant au moins un système levier-came.
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