Projet energies renouvellables
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- I.L’énergie Thermique des Mers aujourd’hui
- II.Utilisation de la cire dans la production d’énergie.
- B.Les matériaux à changements de phase et autres brevets
- III.Etude de la faisabilité technique d’ETM à base de cire
- A.A propos de la turbine
- B.Possibilités d’architecture globale et faisabilité
- 2.Première possibilité
- 3.Seconde possibilité
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J  onathan Crespel
Manon Dirand Aline Quentin PROJET
ENERGIES RENOUVELLABLES ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ENERGIE THERMIQUE DES MERS : ETUDE DE FAISABILITE D’UN NOUVEAU TYPE DE CENTRALE ELECTRIQUE PAR MATERIAUX A CHANGEMENTS DE PHASE
Thierry Bouchet Christophe Royne Brice Hermant Sommaire
Introduction : ……………………………………………………………………………………………………………………………………3 I. L’énergie Thermique des Mers aujourd’hui 4 A. Le besoin d’énergie sur les réseaux insulaires 4 B. L’OTEC 5 1. Principes généraux 5 2. Travaux sur l’OTEC 6 II. Utilisation de la cire dans la production d’énergie. 7 A. Le robot SOLO TREC de la NASA 7 B. Les matériaux à changements de phase et autres brevets 9 III. Etude de la faisabilité technique d’ETM à base de cire 10 A. A propos de la turbine : 10 B. Possibilités d’architecture globale et faisabilité 11 1. Utilisation de « modules » : 11 2. Première possibilité : 11 3. Seconde possibilité : 12 Annexes : ……………………………………………………………………………………………………..…………………………………16 Bibliographie : ……………………………… ……………………………………………………………..…………………………………21 Introduction :
L’exploitation due au différentiel de température dans certaines zones des océans, appelé énergie thermique des mers (ETM), représente une source quasi illimitée d’énergie renouvelable encore sous-exploitée. L’OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) est un procédé permettant de convertir cette énergie en électricité mais il reste actuellement à l’état expérimental avec la construction de démonstrateurs en vue d’une application industrielle par la suite. Cette énergie serait précieuse pour compléter le mix énergétique des réseaux insulaires, contraints d’utiliser des énergies fossiles plus polluantes. De nombreuses barrières sont encore à lever avant de pouvoir produire de l’énergie grâce aux océans de manière significative. Dernièrement, la NASA a développé un système de sous-marin auto-entretenu : le robot submersible produit sa propre énergie pour se déplacer grâce à des pompes et pour alimenter différents instruments de mesure. Ce robot baptisé SOLO-TREC est déployé proche de Hawaï et effectue en continue des mesure pour améliorer la connaissance des courants marins. Suite à un échange avec des ingénieurs de DCNS spécialisés dans le domaine de l’ETM qui mènent un projet de construction d’une centrale prototype à la Réunion, nous avons mené une étude initiale sur l’adaptabilité du système du SOLO-TREC pour produire de l’énergie à l’échelle industrielle. L’étude de différentes contraintes pour permettre la production d’une puissance d’1 MW est également présentée par la suite. I.L’énergie Thermique des Mers aujourd’huiA.Le besoin d’énergie sur les réseaux insulairesPour les territoires insulaires, il est nécessaire d’assurer l’indépendance énergétique. Sur des îles, le plus souvent volcaniques, le nucléaire n'est pas une option envisageable ; le recours à l'importation d’énergies fossiles est alors nécessaire mais reste une solution très coûteuse et polluante. Nous nous focaliserons plus particulièrement sur l'étude des besoins énergétiques de la Réunion, qui est le plus grand département d'Outre-Mer français. Les DOM-TOM étant souvent situés dans des zones tropicales, les ressources d'énergie renouvelable y sont souvent importantes. Ceux-ci sont des véritables incubateurs pour le développement de l'éolien, du solaire et des énergies marines. Avant de voir quel rôle l'ETM pourrait jouer dans ce mix énergétique, regardons plus en détail les besoins énergétiques de la Réunion. E  n 2006, la consommation finale se répartit comme suit : Fig 1 : Consommation de la Réunion en 2006 (source Arer) La population de la Réunion a une croissance rapide de 2% par an et, à la vue de la part importante des ménages dans la consommation finale d'énergie (puisque cela impacte à la fois le résidentiel et les transports), la demande d'énergie devrait croître rapidement. Celle-ci a notamment augmentée de 250% entre 1980 et 2005. Le PRERURE1 prévoit ainsi une augmentation de la consommation finale d'énergie entre 1,24 % et 2,72% par an, soit de 36% à 95 % d'ici 2025. La Réunion, qui était indépendante énergétiquement au début des années 80', dépend de plus en plus de l'importation de pétrole et de charbon pour combler sa demande en électricité. Alors, cette île produisait son électricité grâce à ses ressources en bagasse (résidu fibreux de la canne à sucre) et en hydroélectricité. Depuis elle a développé d'autres énergies renouvelables jusqu’à ce que celles-ci atteignent 36% de sa production d'électricité en 2006 (cf. figure 2). Par ailleurs, sur les 42% de charbon utilisés 18% sont produits à partir de bagasse local, la Réunion doit donc importer 50% de sa production d'électricité. F 
France Réunion ig 2 : Origines de l’énergie en France et à la Réunion (source Arer) Le développement de l'ETM semble donc indispensable à l'indépendance énergétique de la Réunion qu'elle souhaite atteindre d'ici 2030. B.L’OTEC1.Principes générauxLes centrales OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) étudiées actuellement reposent sur le principe suivant : grâce à une source froide et une source chaude, un fluide vaporisé entraine une turbine couplée à un alternateur sous l’effet d’un gradient de pression. Une centrale est donc composée des éléments suivants :
Comme toute machine thermique, une centrale OTEC possède un rendement inférieur à celui du cycle de Carnot : 
A la vue de ce rendement maximal (de l’ordre de 7,6%), il est nécessaire de placer la centrale OTEC dans une zone avec de fortes différences de température entre la surface et à 1000m de profondeur. Ces zones sont présentées sur la carte suivante : on voit que seules celles situées autour de l’équateur se prêtent à l’utilisation de l’ETM : 
Fig 3: Différence de température entre la surface et 1000m. Rouge : >22°C, orange : compris entre 20°C et 22°C, jaune : entre 18°C et 20°C, turquois : <18°C. Il existe deux types de cycles pour les centrales OTEC :
Des informations supplémentaires sur les cycles et des ordres de grandeurs sont donnés en annexe 1 et 2. 2.Travaux sur l’OTECLe principe de l'utilisation du gradient de température des océans dans le but de produire de l'électricité n'est pas nouveau. L'idée date des années 1880, et le premier prototype a été créé en 1930 par l'ingénieur George Claude. Cependant, la recherche fut rapidement abandonnée. Ce n'est qu'après le choc pétrolier de 1979, que l'intérêt pour l'ETM prit de l'ampleur. Des projets voient alors le jour aux Etats-Unis, au Japon et France. Le Japon construit en 1981 un mini-OTEC. Mais ce boom intellectuel décroit de nouveau rapidement avec le prix du baril de pétrole. Dans les années 90', les préoccupations climatiques et la montée du cours du pétrole redonnent à l'énergie thermique des mers un réel attrait. Ainsi, deux centrales prototypes en cycle ouvert sont mises en place au début des années 2000, une à Hawaii capable d'alimenter le NELHA2, et une de 1 MW en Inde en coopération avec le Japon. En début d'année 2010, DCNS mène 3 études pour des projets de centrale à la Réunion, à la Martinique et à Tahiti, tandis que Lockheed Martin monte un projet à Hawaii. Il s'agit d'une centrale de 10MW en cycle fermée, prévue pour être en servie d'ici 2012/13. Il est déjà prévu que l'on puisse étendre sa puissance jusqu'à 100MW. Du côté français, comme on l'a vu précédemment, le mix énergétique des zones insulaires dépend encore beaucoup de l'importation de pétrole. La Réunion qui est un pilote au niveau des énergies renouvelables souhaite la neutralité de son bilan carbone en 2030. Elle cherche donc à augmenter la part des énergies renouvelables dans son mix énergétique, en misant entre autre sur l’ETM. DCNS a d'ores et déjà effectué une étude de faisabilité sur l'île, et un prototype test onshore de 15KW est prévu pour 2011, puis un autre en 2013 et un démonstrateur sera installé avant la mise en place du prototype définitif en 2014 d'une puissance d’1,5 MW qui permettra d'alimenter le réseau électrique réunionnais 24h/24. Si cela est concluant, l'objectif serait d'assurer d'ici 2030 25% des besoins énergétiques de la Réunion grâce à l'ETM, soit de 100 à 160 MW. Un très gros enjeu donc ! A la Martinique un projet de 10MW devrait voir le jour en 2015, tout comme à Tahiti. DCNS est ainsi devenu le leader sur ce sujet, ces projets ont d'autre part reçu un large soutien financier de la part de l'ADEME et des agences et collectivités locales. Aujourd'hui, l'ETM représente un des axes majeurs du développement de la production d'énergie dans les îles tropicales, au même titre que l'éolien et le solaire. Après un développement en cycle ouvert par le passé, l'avenir est maintenant au cycle fermé. L'OTEC prend de l'envergure et passe en phase industrielle avec des centrales de 10 MW et plus. Il semble donc que l'OTEC ait un bel avenir devant lui. II.Utilisation de la cire dans la production d’énergie.A.Le robot SOLO TREC de la NASALa NASA a présenté récemment un nouveau sous-marin, le SOLO-TREC, capable de rester en permanence actif et apte à produire sa propre énergie. Un prototype a été déployé au large des côtes hawaïennes. L'objectif de ce robot sous-marin est de récolter des informations sur la température et la salinité des océans afin de consolider les connaissances sur les courants marins. SOLO-TREC se présente sous la forme d'une grosse bouée composée de compartiments à huile et de cylindres de cire, un matériau à changement de phase innovant. En fait, cette cire spéciale fusionne dès que sa température excède 10°C et ce changement de phase va entraîner une dilatation du matériau poussant ainsi l'huile vers un réservoir à haute pression où elle est stockée. Une fois plein, ce réservoir libère l'huile comprimée qui passe à travers une turbine hydraulique. Ce mécanisme produit alors de l'électricité qui charge des batteries. Les batteries chargées alimentent des pompes qui peuvent ainsi aspirer ou expulser l'eau ce qui permet au robot de monter ou de descendre tel un système de ballastes. Les batteries font également fonctionner le récepteur GPS et les capteurs, mais aussi l'émetteur du robot facilitant son repérage. En plongée, la température de l'eau se refroidit et la cire devient solide ; l'huile retourne alors dans ses compartiments initiaux. Pour se déplacer, le robot utilise l'énergie stockée dans les batteries et il remonte pour les recharger. Depuis novembre 2009, SOLO-TREC effectue des plongées avec succès, à plus de 500 mètres de profondeur, trois fois par jour. La finalité est de développer toute une flottille de robots sous-marins afin d'étendre la surveillance des océans, ce qui améliorerait les prévisions météorologiques et climatiques. Données obtenues sur le système :
Fig 4 : Le SOLO TREC Ce robot est autonome grâce à un procédé qui produit suffisamment d’énergie pour alimenter ses propres pompes et ses appareils de mesure divers. L’idée de l’étude qui suit est de répondre à la question suivante : Est-il possible d’utiliser cette technologie dans le but de produire de l’électricité à grande échelle ? Une recherche d’information sur le fonctionnement de la cire est préalable à l’étude de solutions technique pour produire de l’électricité. B.Les matériaux à changements de phase et autres brevetsLes matériaux à changement de phase ou MCP sont des matériaux dont la température de fusion est comprise entre 10 et 80°C et qui ont une importante chaleur latente (énergie nécessaire au changement d’état du matériau). Ils sont assez peu connus à ce jour. Il existe trois types de MCP : les composés minéraux, organiques et eutectiques. Nous nous intéresserons uniquement aux organiques car, de propriétés thermiques (chaleur latente et conductivité thermique en particulier) moindre que les sels hydratés (composés minéraux), ils présentent l'avantage de n'être pas ou très peu concernés par la surfusion (le fait de rester liquide alors que la température est inférieure à la température de fusion). On utilise en particulier, les paraffines et les acides gras qui appartiennent à cette famille et dont les températures de fusion sont autour de 20°C. Leurs principales applications sont l’isolation et le stockage d’énergie. Ces principes s’intéressent aux capacités des MCP à emmagasiner de l’énergie : si on souhaite conserver la température d’un bâtiment à 19°C en été, on isole à l’aide d’un MCP de température de fusion autour cette température. L’énergie solaire est emmagasinée le jour par le matériau en se dilatant. La nuit, le MCP se contractant délivre l’énergie emmagasinée et chauffe le logement. Il existe également un brevet pour le stockage d’énergie grâce à de la cire (MCP) par Yann Kaplan que nous avons contacté. Il nous a confirmé que les recherches étaient très peu avancées dans le domaine des MCP. Aucune étude n’aurait été faite concernant la dilatation des MCP en termes de volume et de la force que cela pourrait dégager. Toutes les données sur la cire ont été obtenues empiriquement en relation avec le CNRS. Le processus pour transformer les matières premières, comme les huiles, en une cire de température de fusion proche de 10°C est inaccessible car breveté. Le coût minimal d’un tel matériau est de 18€ par kg. Pour notre étude, nous nous sommes inspirés du prototype du SOLO-TREC de la NASA. Malheureusement, à l’heure actuelle, nous n’avons pas pu trouver les brevets liés à cette invention. Nous n’avons donc pas accès aux données sur les temps de dilatation, son coefficient de dilatation, les pressions auxquelles la cire peut se dilater... D’après les données de la NASA, la cire utilisée se dilaterait à 13% de son volume initial.
III.Etude de la faisabilité technique d’ETM à base de cireA la vue des possibilités du SOLO TREC d’être indépendant énergétiquement en utilisant de la cire pour produire son énergie, la société DCNS qui travaille actuellement sur l’OTEC, a proposé de mener une étude de faisabilité de réalisation d’une centrale de production d’électricité basée sur ce process. La suite concerne donc la faisabilité de produire 1 MW électrique brut à partir d’un matériau du type de celui du SOLO TREC. Des éléments d’Analyse Fonctionnelle sur les OTEC à base de cire sont donnés en Annexe. A.A propos de la turbine :Pour répondre à cet objectif, il est nécessaire d’avoir une turbine de taille importante comparée à celle du SOLO TREC. La première étape de l’étude concerne la structure qui accueillera la turbine. Deux configurations peuvent au premier abord être envisagées. Pour utiliser l’eau des profondeurs comme source froide le système peut faire des allers-retours entre la surface et le fond (hypothèse prise vers 1000 m). Cette solution ne semble pas réalisable pour les raisons suivantes :
La turbine devrait donc se situer en surface (onshore ou offshore comme pour l’OTEC). La graphique en annexe 3 présente les différents types de turbines hydrauliques en fonction du débit de fluide les traversant. L'hypothèse prise ici est que pour fournir une puissance brute de 1MW, la turbine hydraulique devait recevoir un débit de fluide de 1m3/s minimum avec un différentiel de pression de plusieurs bars (pour avoir une similitude avec la chute nette des turbines qui produisent l'hydroélectricité). L'hypothèse que la dilatation de la cire permette d'atteindre cette pression est également prise : en effet la protection de données sur les matériaux ne permet pas d'avoir l'information. L'ensemble des modules devrait donc produire un débit d'environ 1m3/s pour alimenter la turbine. B.Possibilités d’architecture globale et faisabilité1.Utilisation de « modules » :La cire a besoin d’entrer en contact avec l’eau de surface et l’eau de profondeur. Peut-elle faire des allers-retours entre -1000m et la surface ? Pour assurer une certaine continuité dans le débit passant dans la turbine (en surface) pour une production constante d’électricité, la solution du type SOLOTREC n’est pas envisageable : 3 ou 4 descentes par jour produisent de l’énergie de manière très épisodique. L’utilisation de batteries serait alors indispensable et il semble difficile aujourd’hui de stocker des grandes capacités d’énergie à faible coût. Il est donc nécessaire d’utiliser différents modules comprenant la cire et le liquide hydraulique qui alimenteraient périodiquement la turbine. Un module comporterait trois sous-systèmes :
2.Première possibilité :L
3.Seconde possibilité :Il serait donc idéal que les modules restent en surface. Un pompage de l’eau en profondeur est donc indispensable : les mêmes contraintes (longueurs, pressions…) sont à prévoir que pour l’OTEC. Pour assurer une production continue, on envisage une solution avec de nombreux modules (détaillés ci-dessous) alimentés avec un déphasage pour obtenir un débit permanent. Un système d’électrovanne devrait permettre d’alimenter en eau chaude et froide les différents modules ainsi que la turbine en huile. Le principe de la solution est présenté sur le schéma suivant : F  ig 6 : Schéma global de la solution 2
Le fonctionnement des modules serait le suivant avec un déroulement en trois temps :
Fig 7 : Processus en trois temps du système envisagé La question reste de savoir s’il est possible de réaliser un ensemble de modules capable de produire ce débit. Pour cela, plusieurs éléments sont à regarder : les temps de fusion et de solidification de la cire ainsi que la taille et le nombre de modules.
Le SOLOTREC n'effectue que 3 remontées par jour soit car la période est d'environ 4h soit car il n'a pas besoin de plus d'énergie pour fonctionner. Aucune information n'est disponible sur les temps de changement de phase de la cire du SOLO TREC. Pour de l'eau liquide, 5 cl à 0°C plongés dans un réfrigérant à -10°C mettent environ 5 minutes à geler (temps similaire pour la fusion). Sachant que pour la cire, le différentiel de température n'est que de 4°C (l'eau de mer des profondeurs est à environ 6°C, tandis que la température de fusion de la cire est de 10°C) et que la quantité est beaucoup plus importante, il faudrait donc un temps de changement de phase bien plus grand. Ce temps peut être réduit en augmentant la surface d'échange (voir schéma) mais cela amène les contraintes suivantes :
Fig 8 : Augmentation de la surface d'échange entre le fluide chaud et la cire
Dans le cas où un module contiendrait 10 m3 de cire, sans considérer le temps de changement d'état vu précédemment, une dilatation totale de la cire du même type que celle du SOLO TREC déplacerait au maximum 1,3m3 de fluide par différence de pression entre la pression en fin de compression et la pression de l'état initial. Pour obtenir une dilatation de 1 m3, il faut environ 7,7 m3 de cire solide.
Au final si la turbine doit recevoir au moins 1m3/s de fluide, il faut par exemple que chaque seconde un module contenant 7,7m3 de cire soit relié à la turbine. Le temps de fusion de 7,7m3 de cire doit très certainement être supérieur à une heure en considérant une géométrie de module réalisable. Ceci impliquerait la présence de plusieurs milliers de modules avec 7,7m3 de cire qui seraient alimentés avec un déphasage d'une seconde pour parvenir à la puissance recherchée, ce qui n’est pas réalisable vus les volumes mis en jeux. Conclusion 
En nous inspirant de l’invention du SOLO-TREC de la NASA, nous avons cherché à étudier la faisabilité d’un concept similaire appliqué à la production d’électricité à grande échelle sous la tutelle de DCNS, leader français dans le domaine de l’ETM. Après avoir effectué différentes recherches bibliographiques et de brevets, nous avons cherché à mener une réelle réflexion scientifique sur la question.
C 
Annexe 2 : C 
Annexe 3 : C  Annexe 4 : E
Bibliographie
Statistiques Energétiques : http://etudescaribeennes.revues.org/3519 Inégalités et spatialité dans l'océan Indien: actes du colloque par Jean-Michel Jauze (Jean-Louis Guébourg)
http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/environnement-securite-energie thematique_191/reunion-le-prototype-e-t-m-de-dcns-en-test-en-2011-article_6058/?utm_source=PROS&utm_medium=newsletter&utm_content=ESE4&utm_campaign=859C4 http://www.paperblog.fr/3890627/nouveau-projet-etm-prevu-par-dcns-en-martinique/ http://www.lesnouvelles.pf/article/leconomie-du-fenua/une-centrale-thermique-de-mer-a-l%E2%80%99etude OTEC Classique : Cours ENSTA C08-3 de Bruno Garnier SOLO TREC http://www.instablogsimages.com/images/2010/05/06/nasa-robot-diver_1_2Xtyd_69.jpg http://www.linternaute.com/science/technologie/robot-sous-marin-autonome.shtml http://solo-trec.jpl.nasa.gov/SOLO-TREC/ MCP : www.physique-et-matiere.com/materiau_a_changement_de_phase_(thermique).php Livre énergies nouvelles marines Turbine : Programme d’action PACER – Energies renouvelables – Turbines hydrauliques 1 PRERURE : Plan Régional des Energies Renouvelables et de l'Utilisation Rationnelle de l'Energie 2 NELHA : Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority Yüklə 143,24 Kb. Dostları ilə paylaş:
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Frédéric KUZNIK (frederic.kuznik@insa-lyon.fr). Chercheurs dans le domaine des MCP. De même, les études ne menées ne s’intéressent pas aux modifications en volume de la cire.
a solution de placer sur un câble ces modules comme sur le schéma de principe ci-contre ne sera pas développée d’avantage pour les motifs suivants :