FR3081940A1 - Procede et systeme pour produire de l'energie electrique a partir de courants marins ou fluviaux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un système permettant de produire à partir de courants marins ou fluviaux une circulation d'eau destinée à faire tourner un ensemble de turbines déportées associées à un système de génération d'énergie électrique. Il est constitué par un ensemble de caissons immergés qui, grâce aux lois physiques dites de Bernoulli ou de Venturi, transforme des courants sous-marins en un flux d'eau accéléré et acheminé à l'aide de tubes ou de tuyaux vers un ensemble de turbines déporté. Ce dernier, situé sur une plateforme de surface, transforme l'énergie cinétique en énergie de rotation transmise à une génératrice d'énergie électrique à l'aide d'un système de transmission. Le procédé selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante, pour les pays et régions disposant d'une côte maritime soumise aux marées et aux courants et désireux de développer sa capacité de production en énergie renouvelable tout en préservant l'accès et l'attractivité touristique de son littoral, et pour les territoires traversés par des cours d'eau à la profondeur et au débit suffisant. Elle peut également être associée de façon complémentaire à des sites existants ou d'autres moyens de production d'énergie renouvelable, tels des sites d'éoliennes offshore ou des moyens de production électrique par panneaux photovoltaïques.

Description

Procédé et système pour produire de l'énergie électrique à partir de courants marins ou fluviaux.

La présente invention se rapporte à un procédé et un système pour produire de l'énergie électrique à partir des courants marins ou fluviaux. Le système de génération d'une circulation fluide accélérée est assuré par un ensemble immergé de caissons passifs dotés d'orifices de captation hydraulique, tandis que Le système de transformation d'énergie fluide en énergie cinétique de rotation destinée à faire tourner une turbine associée à une génératrice électrique qui se trouve en surface.

Elle trouve une application particulièrement intéressante, mais non exclusivement, pour les pays et régions disposant d'une côte maritime soumise aux marées et aux courants et désireux de développer sa capacité de production en énergie renouvelable tout en préservant l'accès et l'attractivité touristique de son littoral, et pour des territoires traversés par des cours d'eau à la profondeur et au débit suffisant. Elle peut également être associée de façon complémentaire à des sites existants ou d'autres moyens de production d'énergie renouvelable, tels des sites d'éoliennes offshore ou des moyens de production électrique par panneaux photovoltaïques.

Si l'utilisation de l'énergie cinétique des flux d'eau pour produire une énergie de rotation est une notion répandue depuis plus de deux mille ans (principe des roues à aubes des moulins) , elle offre également des voies de recherches plus modernes avec la volonté de développer les énergies renouvelables (hydroliennes). D'une façon générale, l'exploitation des énergies marines est moins développée que celle des courants fluviaux, ces derniers offrant des capacités de canalisation qui facilitent la transformation de l'énergie à partir de l'écoulement d'un flux allant toujours dans le même sens, à force constante, ou pouvant être régulée. Ce potentiel de production d'énergie électrique est exploité économiquement au mieux dans les pays industrialisés depuis plus d'un siècle et n'est pas extensible pour augmenter la part de l'énergie renouvelable nécessaire à l'avenir.

-2Par contre l'énergie marine, bien que présentant des caractéristiques moins adaptées à sa transformation du fait des cycles lents de ses phénomènes de marée, de l'aspect non canalisable de ses courants et d'une énergie permanente de faible amplitude de sac et de ressac, constitue un enjeu économique majeur et offre les plus fortes perspectives d'exploration dans les années à venir.

Un obstacle supplémentaire au développement d'une exploitation rentable de l'énergie marine est constitué par son milieu agressif. Outre des moyens d'étanchement complexes, la salinité de l'eau dans le cas d'une exploitation marine, impose de fortes contraintes de conception des équipements immergés et nécessitent l'utilisation des matériaux coûteux. De même, les forces des éléments naturels mises en jeu impose un dimensionnement des équipements et des infrastructures particulièrement solides. Ces contraintes ont bien évidemment des conséquences sur la durée de vie des équipements, et des incidences économiques fortes sur la maintenance de ceux-ci.

Les systèmes de production d'énergie électrique à partir de courants marins ou fluviaux selon l'art antérieur utilisent soit l'énergie liée à l'écoulement d'un flux d'eau canalisé, soit exploitent de façon immergée les courants sous-marins. L exploitation d'un flux canalisé se traduit soit par la création d'énergie potentielle pour les barrages et centrales hydroélectriques permettant de faire tourner des turbines, soit par sa transformation en énergie cinétique de rotation directement à partir du courant permanent de surface, comme dans le cas des moulins à eaux. Dans le cas d'une exploitation de courants sous—marins, comme dans le cas des usines maréesmotrices ou des hydroliennes, les turbines destinées à utiliser l'énergie d'un fluide liquide sont par nature immergées. Le problème des solutions antérieures se résume par des difficultés d'implantation du fait de l'aspect limité des zones naturelles capables de recevoir de tels équipements, de leur acceptation par les populations locales, de leur coûts de conception, de réalisation et surtout de maintenance.

-3La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé nouveau dans le cadre d'un système permettant de transformer de l'énergie marine ou provenant d'un cours d'eau en énergie électrique.

L'invention présente également l'avantage de permettre de proposer des structures et des équipements ne nuisant pas visuellement ou écologiquement à l'environnement. De plus son implantation peut contribuer à réduire les contraintes fortes de protection et de sécurité dans le périmètre de l'installation, du fait que les parties mobiles ne sont pas immergées.

On atteint les buts précités avec un procédé basé sur un ensemble immergé d'enceintes ou de caissons passifs dotés d orifices ou d'évents destinés à capter un flux ou un courant marin, et produisant une circulation d'eau dans des tubes ou des tuyaux, acheminée en surface pour alimenter un ensemble de turbines à eau, ces dernières entraînant elles-mêmes un système de génération électrique qrâce à un système de transmission conventionnel, par courroie, engrenages, etc. Contrairement au systèmes antérieurs, l'invention n'explo ite pas les forces naturelles des courants pour une transformation mécanique en direct sur des parties mobiles, mais vise à produire une circulation fluide permanente avec une pression suffisante pour actionner des éléments de génération électrique déportés. Une telle distribution permet de concevoir un système global ou les éléments immergés peuvent être réalisés avec des matériaux peu onéreux et sans coût induit par des contraintes d'étanchement ou de protection anticorrosion, tandis que les éléments sensibles, tels que des éléments électriques, composants électroniques ou génératrice, peuvent être placés sur une plateforme fixe ou mobile en surface de l'eau.

La figure 1 est une vue schématique illustrant le procédé selon l'invention, et permettant d'identifier les différents éléments du système. Un ensemble immergé de caissons (1) transforme, grâce à la réduction de section produite par la forme de leurs évents, des courants sous-marins ou fluviaux (2) en un flux d'eau accéléré (3) qui est acheminé à l'aide de tubes ou de tuyaux (4) vers un ensemble de turbines (5) situé sur une plateforme de surface, et destinée à transformer l'énergie cinétique en énergie de rotation en la transmettant à un ensemble générateur d'énergie électrique (7) à l'aide d'un système de transmission (8). Sur cette illustration, le caisson immergé est maintenu dans le courant à titre d'exemple par un système de haubans (9) reliés au fond marin.

Dans la suite du document nous associerons le terme d'orifice de la cavité se rétrécissant au terme d'«évent» dont la forme constitue un entonnoir destiné à capter le plus largement possible les flux ou courants d'eau.

Il est de la connaissance de l'homme de métier qu'un fluide incompressible circulant dans un tube se rétrécissant entraine une augmentation de la vitesse du fluide due à la réduction de section du tube. C'est l'effet « Bernoulli » ou l'effet « Venturi ».

Sans rentrer dans les calculs qui n'ont d'effet dans l'invention que dans l'optimisation du rendement, il est de la connaissance générale qu'un tube se rétrécissant soumis à une pression constante va provoquer à la sortie du tube une circulation d'eau dont la vitesse va être supérieure à celle entrant dans la partie évasée de l'entonnoir.

Il est également de la connaissance générale que la pression de l'eau augmente à mesure qu'on la puise en profondeur et que cette pression peut tendre à faciliter la remontée de la masse d'eau en circulation vers la surface. Des clapets anti-retour dans le dispositif de circulation d'eau peuvent peuvent être utilisés pour permettre ou optimiser notamment l'acheminement de l'eau en surface.

La modélisation d'un tel système pour son exploitation et la détermination des paramètres de dimensionnement des éléments (caissons, évents, tuyaux, et.) et des profondeurs auxquelles le rendement peut être optimisé est donc dépendant du site d'implantation et des paramètres naturels le caractérisant. Il n'est donc pas du ressort de l'invention de préciser ces notions.

Le principe de l'invention est de capter en surface ou en profondeur des courants fluviaux ou sous-marins pour créer une

-5circulation d'eau accélérée destinée à être transformée de façon déportée en énergie de rotation capable d'actionner un système de génération électrique. Le flux d'eau accéléré est produit à partir de caissons immergés dont les orifices sont évasés pour capter les courants d'eau et dont la réduction de section produit sous l'effet de la poussée d'entrée du fluide incompressible en sa sortie un flux d'eau accéléré. Cette propriété physique connue sous le nom de loi de Bernoulli permet à un caisson passif de produire une circulation d'un flux accéléré par rapport à la vitesse de son courant d'entrée, dès lors que le caisson est maintenu pour résister à celui-ci. Le maintien dans le courant des caissons peut être obtenu en solidarisant ceux-ci avec une infrastructure ou une plate-forme de surface, mais également en les reliant au fond sous-marin, de façon fixe ou flexible par un procédé d'haubanage. Des moyens mécaniques peuvent être associés à chaque caisson en le rendant orientable et réglable en profondeur, permettant ainsi la recherche du meilleur rendement selon son implantation dans le milieu naturel ou les variations des courants.

Une variante ou une optimisation dans le procédé de génération d'une circulation flux au niveau des caissons consiste à exploiter l'effet dit de Venturi dans la dynamique des fluides. En effet la formation d'une dépression au niveau de la zone où les particules de fluides sont accélérées, c'est à dire à l'endroit où s'opère la réduction de la section de l'évent, peut être exploitée pour forcer une circulation fluide de la turbine de surface vers le caisson, facilitant ainsi la circulation de l'eau en sortie de la turbine, ou bien même en participant activement au procédé de circulation fluide destiné à faire tourner la turbine, si l'ensemble du circuit fonctionne de façon quasi-fermée.

Le principe de l'invention de faire circuler l'eau dans des tubes ou des tuyaux permet d'envisager simplement la recherche de profondeurs adaptées à une captation optimale de courants marins ou fluviaux. Cette optimisation est rendue possible de façon simple et expérimentale par la recherche d'une adaptation aux spécificités du milieu naturel, tels que le relief et les

-6courants sous-marins, mais également facilitée par l'exploitation de règles physiques connues de l'homme de métier. On citera à titre d'exemple les phénomènes de convection naturelle due à la différence de température entre l'eau de surface et celle puisée en profondeur, et la diminution de la pression à mesure que l'on s'approche de la surface. Le flux d'eau ainsi produit est accéléré par rapport à la vitesse du courant le produisant et est ramené en surface au moyen de tubes ou de tuyaux pour faire tourner une turbine, agissant telle une pompe inversée.

Selon un mode de mise en œuvre avantageux de l'invention, l'utilisation de tuyaux souples pour la remontée du flux d'eau produit par les caissons permet un arrimage flexible des caissons aussi bien au milieu naturel dans lesquels ils sont implantés, qu'au niveau de la plateforme de surface chargée de produire l'énergie électrique. L'important pour que le procédé de l'invention fonctionne reste que les caissons immergés doivent être maintenus dans les courants d'eau pour résister à leur déplacement. On peut citer à titre d'exemple un maintien par haubanage des caissons sur les fonds marins ou des éléments côtiers.

Outre l'allègement des contraintes structurelles d'un tel procédé pour résister aux phénomènes naturels d'amplitude exceptionnelle par rapport à une solution traditionnelle basée sur des infrastructures ou une implantation rigide d'équipements sur sites, de telles possibilités d'éléments reliés par des moyens souples, permettent également de faciliter la réalisation de caissons capables de s'orienter automatiquement selon la variation des flux naturels. L'orientation automatique peut ainsi être provoquée de façon autonome et automatique par des caissons dont la forme est étudiée pour exploiter les effets d'hydrodynamisme, à l'instar de l'effet girouette dans le vent, ou bien être imposée par un asservissement mécanique piloté par un système électronique.

Suivant un autre aspect de l'invention, le procédé permet de concevoir un système capable d'exploiter des courants naturels en mouvement alternatif et donc moins adaptés à leur transformation en une circulation fluide unidirectionnelle, à savoir les

-7phénomènes de marées ainsi que l'énergie marine permanente de faible amplitude de sac et de ressac. Dans les mouvements de marée et de vagues, les courants prédominants agissent de façon alternative dans un même axe mais de façon opposée. Ainsi, dans les cycles lents de marée, un courant prédominant vient du large vers la côte lors de la marée montante et inversement en marée descendante sur des cycles de plusieurs heures. Le second phénomène alternatif de vagues provoque sur un cycle de plusieurs secondes un courant inverse de sac et de ressac. Une mise en œuvre simple de l'invention consiste à implanter des caissons immergés à double évents disposés de façon opposée, c'est à dire capables de recevoir alternativement dans chaque bouche du caisson les mouvements d'eau naturels alternatifs. L'ajout de volets ou de clapets anti-retour en sortie des caissons permettent un redressement des flux alternatifs en un flux semi continu en sortie des caissons. Ainsi dans le cas du phénomène de sac et de ressac, la simple différence de pression de chaque côté des clapets permet une fermeture et une ouverture automatique de ceux-ci sans pilotaqe extérieur, conservant le caractère passif des caissons. La figure 2 décrit le procédé de redressement des courants d'eau alternatifs en un flux unidirectionnel à l'aide d'évents en opposition et de volets anti-retour.

La figure 2 propose une vue en coupe d'un système ou le caisson immergé (1) est constitué de deux embouchures opposées destinées à capter les flux alternatifs de sac et ressac (4) et ¢5) . Selon le sens du flux en activité, les volets ou clapets anti-retour (2) ou (3) ouvrent ou ferment alternativement les sorties des orifices pour produire un flux redressé unidirectionnel (6) en sortie commune du caisson.

En associant cet effet de redressement aux possibilités d'orientation des caissons précitées, l'invention peut avantageusement conduire a la réalisation de caissons passifs immergés en forme de couronne ou en partie sphérique, comprenant des évents de captation sur 1'intégralité de sa périphérie et donc capables sans intervention extérieure de capter à tout moment tout courant indépendamment de son orientation instantanée. Un tel système permet de réduire les points

-8d'ancrage ou d'haubanage ou fond de l'eau lorsque cette technique est retenue. La figure 3 décrit une vue schématique d'un tel système, dans lequel un caisson (1) de forme cylindrique est constitué d'orifices sur sa périphérie (2) et destinés à capter tout courant (3) indépendamment de son orientation pour produire une circulation d'eau (6). Un seul point d'ancrage (4) peut suffire pour maintenir un tel dispositif dans le courant en le reliant au fond sous-marin.

L'exploitation des flux d'eau accélérée produits par les caissons s'effectue par un système déporté de pompe inversée fonctionnant en turbine, c'est à dire basé sur un modèle de roue à aubes actionnée par la circulation d'eau. Selon l'invention, l'ensemble de turbines peut avantageusement être placée à fleur d'eau ou légèrement en surface pour bénéficier du phénomène physique d'atténuation de la pression par rapport à celle de l'eau sortant des caissons. Un système traditionnel de démultiplication de la force de rotation par engrenages ou courroies permet d'adapter la rotation de la turbine au couple mécanique nécessaire au rendement du système de génération d'électricité. En sortie de turbine, l'eau peut être expulsée simplement en surface, ou être conduite vers un dispositif permettant de faciliter la circulation du flux de turbine. On peut citer à titre d'exemple non exclusif, une expulsion facilitée de l'eau de la turbine en la conduisant à l'aide d'un tuyau vers un caisson immergé, différent ou non du caisson émetteur, permettant d'exploiter l'effet Venturi avec le même procédé de caisson passif que celui décrit dans l'invention mais selon la théorie connue de l'homme de métier de l'effet Venturi pour des fluides incompressibles.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif pour produire à partir de courants marins ou fluviaux une circulation d'eau destinée à faire tourner un ensemble déporté de turbines associées à un système de génération d'énergie électrique caractérisé en ce qu'il comporte :

   une enceinte ou un ensemble de caissons immergés maintenus pour résister aux courants et munis d'évents pour capter les courants d'eau en quelconque profondeur ;

   - chaque orifice ou évent est constitué d'une cavité se rétrécissant et dont la forme constitue un entonnoir afin de provoquer en sortie de celui-ci une circulation fluide accélérée par rapport au courant d'entrée captée dans sa partie évasée ;

   - la circulation d’eau produite au niveau des dispositifs immergés est acheminée en surface dans des tubes ou des tuyaux, pour alimenter un système de turbines, ces dernières entraînant un système de génération électrique grâce à un système de transmission.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caissons immergés peuvent être maintenus par des moyens souples dans les flux d'eau de façon flexible, orientable et réglable en profondeur de telle sorte qu'ils puissent capter au mieux dans leurs orifices d'entrée les courants d'eau.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caissons immergés puissent être munis d'un ou de plusieurs orifices d'entrée de façon à pouvoir capter par auto orientation toute variation des flux sous-marins, incluant l'exploitation des phénomènes de sac et de ressac des marées.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs de captation et d'accélération d'eau des caissons immergés soient munis de volets ou de clapets anti-retour, destinés à redresser les mouvements alternatifs d'eau pour produire une circulation d'eau de façon unidirectionnelle plus régulière, notamment dans le cas

   - ίο-

   de sac 1'exploitation et de ressac. des phénomènes de marée OU des mouvements de 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caissons immergés soient maintenus dans les courants

   d'eau, ainsi que les éléments constitutifs entre eux, de façon non rigide, telle que par des techniques de haubanages.
5. 6. Ensemble de production d'énergie comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes et une turbine caractérisé en ce que l'utilisation de l'énergie cinétique des flux d'eau pour produire une énergie de rotation au niveau de la turbine, est facilitée par l'acheminement de l'eau de sortie de celle-ci à l'aide de tuyau vers des caissons immergés exploitant l'effet Venturi.
6. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de circulation d'eau soit muni de volets ou de clapets anti-retour, destinés notamment à faciliter l'acheminement de l'eau en surface.