Echange de Projets et d'Idées pour le Bureau d'Etude Interdisciplinaire (EpiBei)
Option Sciences de l'Eau et de l'Environnement, ENSEEIHT, 2 rue Camichel, 31071 Toulouse
Référence du présent article : O. Thual, EpiBei 0611 (1994).

CENTRALE D'ÉNERGIE MARÉMOTRICE ET SOLAIRE

O. Thual, 11 juin 1994

1. INTRODUCTION

Cette note constitue une base de réflexion pour un enseignement en troisième année de l'ENSEEIHT, ayant pour objectif de faire une synthèse pluridisciplinaire des cours dispensés durant la formation des ingénieurs. Une formule, sans doute déjà expérimentée, consiste à étudier un projet de réalisation technique, à la manière d'un département "Recherche et Développement" ou d'un bureau d'étude. Il peut s'agir d'un projet existant, comme par exemple le fonctionnement d'une plateforme pétrolière en cours d'exploitation. Une autre formule consiste à envisager des projets techniques imaginaires, et même des projets à réaliser dans des environnements légèrement perturbés par rapport aux situations réalistes. Cette distortion des paramètres physiques, s'écartant de ceux auxquels l'ingénieur élève est habitué, permet de prendre du recul par rapport à l'approche de modélisation des phénomènes, et d'être plus ouvert à de nouveaux concepts (matériaux nouveaux, techniques nouvelles, etc.).

Le présent "Projet de Synthèse Multidisciplinaire" examine la construction d'une centrale marémotrice reposant sur l'existence d'un grand lac intérieur proche de la mer. Cette étude a pour but d'évaluer la rentabilité d'une telle construction et de calculer dans quelle mesure les variations de densité de l'eau en fonction de sa température et de sa concentration en sel peuvent permettre de récupérer une partie de l'énergie solaire captée par ce lac. Le scénario de ce projet s'inspire de l'exemple de la Mer Morte, mais pour disposer d'une bonne source froide et d'un marnage important cette cuvette a été transportée, fictivement, sur la côte Ouest du continent Africain. Dans la présentation qui suit, seule la topographie est imaginaire, les autres caractéristiques sont supposées être celles du milieu naturel. Cependant, il est permis d'envisager une modification des propriétés de l'eau de mer (en la remplaçant par un fluide binaire approprié), du rayonnement solaire ou encore de l'amplitude de la marée, pour accentuer certains effets et enrichir cette étude.

2. PRESENTATION DE LA TOPOGRAPHIE FICTIVE

On suppose que la topographie du Sénégal et de la Mauritanie est modifiée de manière ad hoc de telle sorte qu'une grande cuvette, plus profonde que le niveau de la mer, existe à proximité du littoral (Figure 1). Pour fixer les idées, on pourra invoquer l'impact d'un météorite justifiant ce relief et comparer la cart actuelle de la région à celle qui résulterait de cet impact. La source du fleuve que l'on appellera ici "Sénégambie" est celle de l'ancien fleuve Sénégal, et son embouchure est celle de l'ancien fleuve Gambie. Centré a l'endroit où figure l'ancienne ville de Kaédi se trouve une cuvette d'un diamètre de 250 km environ, d'une profondeur allant jusqu'à 20 m au dessous du niveau de la mer. L'ancien lit du Sénégal est encore visible sur une distance d'environ 50 km en partant de la mer. En le remontant, il atteint l'altitude de 10 m au bout de 10 km, puis descend vers le fond du cratère, 200 km plus loin (Figure 2).

3. LE PROJET DE CENTRALE SOLAIRE THERMOHALINE

Une grande entreprise de travaux publics est chargée de construire, à l'endroit de la cuvette, une centrale d'énergie destinée essentiellement à produire de l'eau douce par désalinisation de l'eau de mer. Le projet consiste à construire un long pipeline reliant la mer à la cuvette, afin de créer, dans un premier temps, un lac artificiel dans le désert. La deuxième phase du projet consiste à récupérer l'énergie marémotrice en remplissant et vidant une partie de l'eau de ce lac. Une des composantes de l'étude est de calculer si il est possible de récupérer une partie de l'énergie solaire captée par ce lac intérieur, en profitant de la source froide que constituent les remontées d'eaux froides à l'Est du bassin Atlantique. L'objectif final est d'alimenter en eau et en énergie une usine de désalinisation située le long du pipeline. Un avant-projet, reproduit ci-dessous, a été esquissé par l'ingénieur qui a proposé l'idée de cette centrale. Il s'agit maintenant de vérifier dans le détail la faisabilité de ce projet, et de constituer le dossier technique qui permettra sa réalisation.

4. AVANT-PROJET DE CENTRALE

Les chiffres figurant dans cet avant-projet sont approximatifs et devront être affinés lors de l'étude. Un des objectifs de l'étude devra être d'optimiser la configuration de l'ouvrage en fonction des contraintes.

4.1 Le Pipeline

Il est prévu de construire un canal de 20 km de long, 5 m de large et de 3 m de profondeur, sur dans le lit de l'ancien Sénégal, sur la partie qui descend vers le fond du cratère. Le pipeline remonte le lit de l'ancien Sénégal à partir de la mer, puis descend vers la cuvette en reposant au fond du canal (Figure 3). Il est constitué d'un tuyau métallique de 3 m de diamètre simplement posé dans un tuyau en béton de 4 m de diamètre et dont une partie est enterrée à 1.5 m de profondeur. Tous les 100 m, ce pipeline traverse un mur en béton qui retient l'eau dont est rempli le canal. A l'endroit ou le tuyau extérieur traverse le mur, une couronne circulaire de 50 cm est percé de trous circulaires de 30 cm de diamètre, espacés de 20 cm chacun (Figure 4). L'ouverture de ces trous peut être réglée manuellement, afin de contrôler le débit du canal. Le long du canal se trouve une usine de désalinisation alimentée en eau et en électricité par le pipeline.

4.2 Les conditions climatiques

L'amplitude de la marée est de 5 m. La température de la mer au départ du pipeline est de 20 deg.C (T= 293 deg.K) et est maintenu à cette valeur par les remontées d'eaux profondes résultant de la tension de vent exercée par les alizés sur l'Océan Atlantique tropical. La salinité est égale a 1.034 kg/m3. Dans les terres, le flux solaire moyen est de 230 Watts/m2. Les températures en hiver sont de 25 deg.C, en été de 30 deg.C. Les précipitations sont inférieures à 20 mm d'eau par an. La vitesse moyenne du vent à 10 m est d'environ 10 m/s, ce qui favorise l'évaporation de l'eau.

4.3 Remplissage initial

Pendant la première phase d'exploitation de l'installation, les deux tuyaux serviront de conduite pour déverser l'eau océanique dans le cratère et remplir ainsi le lac intérieur. La centrale électrique située dans l'usine de désalinisation récupère l'énergie potentielle ainsi libérée. Pour amorcer l'écoulement, un système de pompes est installé.

4.4 Principe de fonctionnement

Une fois ce remplissage effectué, le principe de fonctionnement de l'installation est celui d'un usine marémotrice. En plus de cette énergie, il est prévu de tirer profit le mieux possible de l'énergie solaire en jouant sur la variation de densité de l'eau de mer avec la température et la salinité. Le soleil, combiné à la tension de vent exercée à la surface du lac, réchauffe l'eau du lac et augmente sa concentration en sel par évaporation. La densité change donc avec le temps. L'évaporation intense maintient la température du lac à une valeur d'autant plus faible que la tension de vent est forte. Du fait de la configuration des deux tuyaux du pipeline, il est possible de favoriser les échanges de chaleurs entre deux masses d'eau, par diffusivité moléculaire ou turbulente.

4.5 Optimisation du rendement

Plusieurs facteurs contribuent à optimiser le rendement de cette centrale marémotrice. Le courant négatif (du lac vers la mer) dans le tuyau intérieur échange de la chaleur avec le courant positif, grâce au bonnes propriétés conductrices de ce tuyau. Il se refroidit donc, ce qui permet d'augmenter encore plus sa densité. En retour, le courant positif se réchauffe. L'eau dans le canal est injectée au point culminant par dérivation du courant positif. En s'écoulant plus lentement à travers les écluses du canal, elle s'évapore et augmente sa densité. Ce processus est accru par la turbulence de jets provoqué par les trous. Les injections et aspirations aux deux extrémités du pipeline sont conçues afin d'augmenter le mélange dans le lac et dans l'océan. Même si la différence de densité entre le lac et la mer restait identique, la différence entre la diffusion thermique (échange de chaleur entre les deux tuyaux) et la diffusion de sel permettrait de créer une fontaine thermohaline dont le principe est analogue aux "doigts de sel" observés dans l'océan.

L'usine de désalinisation est alimentée par l'eau provenant de l'océan. Des résistances chauffantes alimentées par la centrale électrique vaporisent une partie de cette eau qui est ensuite recondensée en eau douce. Le reste du débit, plus salé, est déversé dans le canal afin d'optimiser le rendement de la centrale.

Afin de mieux mélanger les eaux qui sortent du pipeline (dans l'océan ou dans le lac) il est prévu de construire des diffuseurs constitués de tuyaux profilés animés d'un mouvement de rotation. Cette rotation est engendrée par une légère courbure des tuyaux et le débit du fluide.

5. ETUDES CONSEILLEES POUR LE PROJET

A la lumière de cet avant-projet, il est possible de dresser une première liste des points à étudier plus particulièrement. Chacun de ces points (ou groupes de points) pourra faire l'objet d'un rapport particulier.

- Constituer un atlas climatique précis de la région, pour l'océan et l'atmosphère. Faire la liste des formules nécessaires à l'étude en citant leurs sources. A titre d'exemple la densité est donnée par l'équation d'état approximée de l'UNESCO (Gill, Academic Press 1982, équation A.3.2 ) :

r = 0.7968 S - 0.0559 T - 0.0063 T2+ 3.7315 x 10-5 T3

- Calculer les transferts thermiques entre les tuyaux du pipeline, le canal et l'atmosphère en supposant des propriétés standards du métal utilisé. Résoudre, dans un premier temps l'équation de la chaleur, puis tenir compte de la convection thermique, et enfin de la turbulence.

- Calculer les pertes de charges dans les tuyaux en tenant compte, si besoin est, de la turbulence.

- Calculer la variation de la densité du lac avec le temps en fonction des données climatiques. Modéliser la centrale et indiquer quelle stratégie permet d'accroître le rendement en tirant partie de l'énergie solaire. Calculer le pourcentage de gain ainsi obtenu. A titre indicatif l'océan reçoit un bilan net d'énergie de 80 Watts/m2 dans à l'Est des bassins tropicaux.

- Concevoir un système de régulation permettant d'ajuster les débits en fonctions de la marée et des mesures in situ de température et de salinité. Envisager les fluctuations des conditions océaniques (par exemple en tenant compte de la variabilité interannuelle).

- Etudier les oscillations mécaniques du tuyau intérieur en fonction des débits. Faut-il le fixer, si oui à quel intervalle.

- Déterminer les tailles du pipeline et du canal pour optimiser la production en eau douce.

- Calculer l'augmentation des précipitations atmosphériques sur la région, en supposant qu'une fraction de l'eau évaporée retombe sous forme de pluie (cette fraction pouvant être plus grande que 1). En tenir compte dans l'optimisation de l'installation.

- Une station de pompage sert à compenser les irrégularités du système (formation de gaz par cavitation, amorce des débits, etc.). Etudier son utilisation.

-Etudier les cycles énergétiques de la machine thermodynamique ainsi crée.

- Concevoir la modélisation numérique de ce projet. Programmer quelques modèles : transfert thermique dans les tuyaux, modèles de boîtes, régulation, écoulement du lac, évolution des profils verticaux de salinité et de température, etc.

- Effectuer des expériences de laboratoires correspondant à cette installation.

- Faire une synthèse générale du projet.

6. CONCLUSION

Ce "Projet de Synthèse Multidisciplinaire" fait appel à de nombreux enseignements du département "Hydraulique et Mécanique des Fluides" des trois années de l'ENSEEIHT. Il peut convenir aussi bien aux options "Energétique & Mécanique des Fluides" ou "Sciences de l'Eau & Environnement", à condition de mettre l'accent sur telle ou telle partie de l'étude. D'autres thèmes peuvent venir se greffer à ce projet avec un peu d'imagination. On pourrait ainsi envisager d'utiliser ce projet pour développer des interactions avec les autres départements de l'ENSEEIHT, comme par exemple l'électrotechnique.

- Etudier la remplacement du canal en béton par des travaux de terrassement, en tenant compte des sols.

- Etudier l'effet de la houle et des marées sur le diffuseur plongé dans l'océan.

- Etudier les usines de désalinisation.

- Etudier l'effet d'un mince pellicule de gaz dans les tuyaux.

- Etudier l'écoulement du lac provoqué par les débits des tuyaux, ainsi que sa structure thermohaline (interfaces de densité, etc.). Optimiser la position de l'injection et de l'aspiration.

- Faire le diagramme Perth de la construction du projet.

- Modéliser le système à l'aide de modèles de boîtes.

- Etudier le profil des pales du diffuseur afin de mélanger le mieux possible le débit sortant.

- Expliquer l'intérêt d'utiliser une matériau isolant pour le gros tuyau.