DeProfundis a développé et breveté des solutions techniques réduisant les coûts de mise en oeuvre et de maintenance des systèmes de refroidissement par eau de mer, afin de permettre à cette technologie éprouvée de trouver la rentabilité économique. Cette page résume les principales limitations identifiées sur les projets de 1ère génération et détaille les solutions proposées.

La pression disponible d’aspiration : comment repousser la cavitation et gérer le collapse

La solution usuelle pour éviter la cavitation et le collapse des pipes consiste en la construction d’un puits de pompage. L’objectif est de placer les pompes dans un lieu où la pression de l’eau est plus forte pour assurer une marge par rapport à la cavitation. Pour information, la cavitation est le phénomène qui intervient lorsque l’eau change spontanément d’état par diminution de pression. Lorsque la pression diminue, la température d’ébullition diminue également (Par exemple, en altitude, l’eau bout « facilement », à moins de 100°C). Dans un tube où l’on aspire l’eau, si sa pression diminue jusqu’à la pression de cavitation, la température d’ébullition devient très basse, au point qu’elle s’approche de la température de l’eau pompée, provoquant localement des bulles de vapeur d’eau dans l’écoulement. Celui étant turbulent, les micros bulles de vapeur d’eau rencontrent des zones de surpression où l’eau  redevient liquide en créant des poches de vide où l’eau s’engouffre à des vitesses importantes, créant ainsi des chocs qui peuvent endommager et détruire les aubes de pompes ou les éléments du système.

Dommage par cavitation (Source : cavitationbubble.free.fr)

Diagramme pression/température de l’eau. On peut passer de l’état liquide à vapeur en augmentant la température et/ou en diminuant la pression (source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation)

Voici un calcul approximatif illustrant l’intérêt de placer les pompes en profondeur : si les pompes sont placées dans un puits à 5m de profondeur sous le niveau de la mer, la pression de l’eau autour de la pompe est de 1 bar (pression surface de l’eau approx.) + 0.5 bar (5m de colonne d’eau), soit 1.5 bar. La pression de cavitation à 15°C est très faible (inférieure à 0.1bar) mais prenons cette valeur pour l’exercice. L’eau dans le puits ne s’évapore pas toute seule et c’est normal, car la pression y est supérieure à 0.1 bar. Cependant, la pression de l’eau pompée arrivant dans la conduite donnant dans le puits est égale à la pression ambiante de l’eau moins les pertes de charges que l’eau a rencontré dans la conduite de captage. Ainsi, si le captage est tel que les pertes par frottement de l’eau contre les parois du tube sont égales à 1.4 bar, alors l’eau en entrée de pompe a une pression absolue de 0.1 bar, ce qui va provoquer de la cavitation dans la pompe et l’endommager. Dans la pratique, on va bien entendu chercher à observer une marge raisonnable de pression à l’entrée des pompes vis-à-vis du cas extrême de pompage avec cavitation. Pour augmenter cette marge, il faut

  1. Soit placer les pompes plus bas en faisant un puits plus profond
  2. Soit diminuer les pertes de charges

Pour la solution 1, les coûts d’excavation de puits peuvent être très importants, et il peut s’avérer challenging sur le point de vue technique de creuser un puits très profond, notamment si le client est sur une falaise ou tout lieu qui est déjà au dessus du niveau de la mer.

Pour la solution 2, cela peut se faire en mettant en place de plus larges conduites : à même débit, la vitesse d’écoulement est diminuée et les pertes de charge également, cependant cela a un coût (matériel et surtout en installation). On peut également faire un compromis sur le débit, mais on est limité par le besoin client. Et dans le cadre d’un captage profond, le débit agit directement sur le réchauffement de l’eau pompée : un petit débit entraîne une eau livrée plus chaude, qui aura eu plus de temps à circuler et à se réchauffer.

DeProfundis suggère pour s’affranchir de ces solutions techniques non rentables de placer les pompes en mer. Aujourd’hui, les pompistes proposent des pompes immergées avec des garanties de plus de 9 ans sans maintenance, ce qui rend l’opération intéressante d’un point de vue économique. Cela permet d’augmenter la marge de perte de charge admissible, et par conséquent de garder un débit intéressant avec de petits tubes. Ceci permet de réduire les coûts à l’achat, au transport, et à l’installation du système, qui peut alors se faire avec des moyens nautiques facilement disponibles sur les petits sites plutôt que des moyens industriels lourds et spécifiques, habituellement non présents sur les sites isolés et nécessitant une mobilisation et une opération coûteuses.

Lorsque l’on adopte ces suggestions, un autre problème survient : la résistance au collapse. La dépression dans le tube d’aspiration s’interprète comme une surpression du milieu extérieur. Pour s’assurer que le tube ne s’écrase pas sur lui-même, on peut tout simplement le rendre plus épais. DeProfundis a mis au point un algorithme évolutif de design permettant de trouver un profil d’épaisseur qui minimise la quantité de PEHD (PolyEthylène Haute Densité, c’est le plastique qui constitue les tubes SWAC, et c’est également celui retrouvé dans les réseau de gaz et d’eau potable), tout en assurant une protection suffisante au collapse et une température livrable compatible avec le client (plus le tube est épais, plus il est isolant, mais il coûte plus cher en matériel et en installation).

Simulation et expérience sur des tubes PEHD (source : Rueda F., Marquez A., Otegui J.L., Frontini P.M., Buckling collapse of HDPE liners: Experimental set-up and FEM simulations. Thin-walled structures, Volume 109, December 2016)

Limitation en méthode offshore

Une importante part du budget de tels projets est liée aux opérations offshore. Celles-ci font souvent appel à des plateformes de type JackUp, notamment pour brider les conduites en mer car on ne dispose généralement pas des linéaires suffisants sur terre (les conduites pouvant faire jusqu’à plusieurs km). Ces équipements sont extrêmement coûteux, et ne sont pas présents dans tous les ports : il faut ajouter au budget la mobilisation et la démobilisation. L’intérêt des innovation du SWAC 2.0 est de proposer un design avec des petits diamètres de conduite afin de pouvoir les manipuler avec les équipements disponibles sur place. DeProfundis développe à cet effet des méthodes de bridage en mer qui peuvent mobiliser des équipements disponibles localement.

Exemple d’outil de bridage en mer (source : DPI)

Limitation en design

Les travaux de construction d’un grand réseau de froid local représentent un investissement considérable. Certains projets abandonnés aujourd’hui avaient pour objectif de fournir du froid à grand volume. Or la mutualisation des besoin froids sur une échelle aussi large ajoute beaucoup à la complexité du projet (coût des travaux, démarches politiques et stratégiques, accords de raccordement). Ce type de montage est exceptionnel et à l’échelle d’une île, on ne peut en faire qu’un seul. DeProfundis s’attache à étudier des utilisateurs de froids « modestes » (quelques MWf), afin de bâtir des projets réplicables à l’échelle d’une île, et de diffuser le prix de l’innovation et de la R&D nécessaire à l’adaptation des procédures offshores.

La température de consigne est un autre sujet d’optimisation. On constate dans certains milieux tropicaux l’usage de standards occidentaux non adaptés comme la boucle de température 7/12°C (L’eau circule dans les batteries des émetteurs froids à 7°C pour climatiser à plus de 20°C, puis revient dans la machine à 12°C). Cependant, dans un milieu chaud et humide, une telle boucle génère une condensation importante, qui est autant d’énergie perdue par le système, à moins que cette déshumidification soit explicitement recherchée. Il est possible de climatiser à la même température mais avec une boucle plus chaude (des régimes 9/14°C existent déjà par exemple). D’une part un degré de gagné sur la consigne se répercute avec des économies massives sur l’investissement d’un SWAC (captage moins profond, moins d’opérations en mer etc.), d’autre part, pour un SWAC donné, chaque degré en plus de valorisé augmente la rentabilité énergétique à investissement de SWAC constant. Il reste bien entendu à vérifier les coûts d’adaptation (ou d’achat pour les projets avant construction) des émetteurs froids.

Finalement, DeProfundis porte attention au dimensionnement du SWAC : un SWAC qui couvre la puissance de pointe est surdimensionné (sauf cas exceptionnels). Par exemple, sur un projet concernant un client de l’île de la Réunion, en dimensionnant un SWAC ayant pour capacité la moitié de la puissance maximale demandée par le client, le SWAC produit tout de même plus de 90% de l’énergie frigorifique demandée (voir schéma ci-dessous). Les économies d’investissement d’un tel SWAC par rapport à un SWAC répondant au pic sont largement plus importantes que le prix d’un groupe froid classique d’appoint fonctionnant quelques heures dans l’année pour compléter l’apport en froid, d’autant plus si l’on peut améliorer ses performances en refroidissant son condenseur avec le retour du SWAC.

BoucleFermée

Les avancées en boucle fermée

Le but d’un tel système (schématisé ci-contre) est de rendre cette technologie accessible aux consommateurs de taille moyenne et son intérêt est à étudier au cas par cas. Au lieu d’être rejetée, l’eau retourne au fond de la mer et y est refroidie. S’ajoutent aux avantages de la boucle ouverte les suivants :

  • Usage de l’eau douce plutôt que de l’eau de mer, car l’eau douce a une capacité thermique volumétrique plus élevée (≈ 4200 J.L−1.K−1 pour l’eau douce) que l’eau de mer (≈ 4114 J.L−1.K−1)
  • Absence de crépine exigeant une maintenance régulière
  •  Aucun risque d’aspiration de matériau marin étranger dans le système.
  • Le système est en surpression, les problématiques de cavitation et de collapse ne sont plus limitantes (la puissance de pompage le deviennent, proportionnelle au carré de la vitesse)

Et quelques limites :

  • Puisqu’il y a une boucle fermée, on a besoin de 50% de conduite en plus.
  • L’efficacité imparfaite de l’échangeur thermique au fond augmente la température froide livrable
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