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Pompe à chaleur sur eau de mer ou géothermie eau de mer

Par Philippe NUNES - Ingénieur ENSAIS-ICG et Directeur Général d'XPAIR

Station d'échange eau de mer avec échangeur de chaleur
Station d'échange eau de mer avec échangeur de chaleur


Quid de l’opportunité de productions énergétiques à partir de machines thermodynamiques raccordées sur une boucle d’eau dite “tempérée“ obtenue par échange thermique sur un primaire alimenté par l’eau de mer? Cette chronique fait le point sur cette forme de géothermie sur eau de mer, et se base sur une installation référence réalisée sur le Quai Antoine 1er à Monaco.



Rappel : cette présentation s'effectue en 2 parties :





Un projet de référence de 4800 kW


Quai Antoine 1er à Monaco
Quai Antoine 1er à Monaco



L’installation de référence qui par sa conception et son exploitation économique servira de base à cette étude, se caractérise par :

  • Lieu géographique :  Port Hercule à Monaco
  • Localisation :  Quai Antoine 1er
  • Surface desservie :  40 000 m²
  • Capacité d’échange thermique :  4,8 MégaWatts


Activités des locaux: Tertiaire : bureaux, laboratoires, semi-industriels, commerces, radio, TV, habitations, services administratifs, ... 



  • Caractéristiques principales de la station d’échange d’eau de mer :

- Pompage par tube PEHD diamètre 1 200 mm.

- 3 pompes eau de mer de 160 m³/h avec variateurs de débit.

- 3 pompes eau de transfert de 160 m³/h.

- 3 pré-filtres en amont des pompes eau de mer.

- 3 filtres à sable automatiques en amont des échangeurs eau de mer.

- 3 échangeurs à plaques d’une capacité d’échange de 1 600 kW soit 4 800 kW.

- Rejet eau de mer en tube PEHD diamètre 315 mm.

- Boucle “eau tempérée“ après échange eau de mer en acier diamètre 310/324 mm.


Les dispositions environnementales données dans la présente étude se basent sur un contexte de captage et/ou rejet eau de mer dans le domaine maritime méditerranéen ayant ses propres caractéristiques : variations de températures, ...
Les contraintes administratives quant à elles sont données dans un contexte où les ouvrages s’effectuent sur le territoire national français.

Les éléments techniques et d’exploitation communiqués dans la présente étude, même s’ils devraient être adaptés, seraient similaires pour des opérations d’activité tertiaire.

L’ensemble des paramètres et recommandations donnés dans cette étude, même s’ils peuvent servir de guide dans l’approche conceptuelle d’une installation d’échange sur eau de mer, ne sont néanmoins pas à considérer comme des éléments universels pour toutes installations similaires.

Chaque installation ayant un contexte environnemental spécifique, un bilan thermique différent, une expression particulière des besoins, nécessite une analyse technique et une maîtrise d’œuvre au coup par coup.





Analyse environnementale de cette "géothermie maritime"



AUTORISATIONS NECESSAIRES


Les autorisations nécessaires dépendent du Service Maritime du lieu où s’effectuent les travaux de captage ou de rejet eau de mer. Le Service Maritime local dépendant lui-même du Ministère de l’Equipement des Transports et du Logement.
Le Service Maritime gère le domaine public maritime et délivre les autorisations nécessaires.

L’instruction s’effectue à partir d’un dossier technique avec description des ouvrages, plans, contraintes techniques et environnementales. Il n’y a pas de cadre standard; l’instruction dépend de la nature du projet.

En général, le Service Maritime qui instruit le dossier obtient les différents avis complémentaires :

1 - De la police de l’eau, qui s’intéresse au rejet eau de mer : pollution additionnelle, changements de paramètres, ...

2 - Du Service des Affaires Maritimes qui peut au titre des règles de navigation demander des dispositions de sécurité tels que repérage par bouée des ouvrages, protection des ouvrages contre les accrochages d’ancres, de filets, ...

3 - De la Commune dans le cas où les ouvrages s’effectuent dans un port, qui dans la plupart des cas est donné en gestion aux Communes.


Il est à noter que le Maître d’Ouvrage qui construit les ouvrages de captage et de rejet eau de mer, reste responsable à la fois au niveau de la réalisation que de l’entretien de ces ouvrages.

D’une manière générale sur le plan administratif, c’est le code du domaine de l’Etat autorisant l’occupation du domaine public qui fixe le cadre réglementaire. Une partie des textes figure en annexe du présent rapport.

Sur le plan financier, une redevance aux Services Fiscaux Français est dressée suite aux autorisations accordées.
A noter enfin, que les rejets eau de mer peuvent faire l’objet de contrôles dans le temps quant aux pollutions déclarées.

En cas de problème et de dommages subits, l’Administration peut jouer sur le fait que l’autorisation est donnée à titre précaire et révocable.




CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES


  • Sur le plan administratif :

Deux cas de figure peuvent se présenter selon que l’on se situe sur un port ou dans le domaine maritime.



  • Protection physique :

Les conditions de captage sont les plus difficiles à maîtriser car il s’agit déjà de protéger l’ouvrage de captage sur le plan physique contre les chocs de bateaux, les accrochages d’ancres, ...



  • Cas d’un ouvrage dans un port :

Si l’on se situe dans un port, la stabilité des paramètres de l’eau de mer est moindre de part une forte pollution due :


- Au trafic incessant des bateaux,

- Aux hydrocarbures et autres rejets polluants des bateaux,

- A la forme même du port qui est une zone enclavée, avec une profondeur d’eau moindre, ne favorisant pas le renouvellement d’eau “propre“,

- Aux usagers eux-mêmes qui génèrent une pollution spécifique et difficilement biodégradable (exemple : sacs plastiques).



  • Autres rejets, autres captages :

Dans un port ou un autre environnement, les autres installations de captage et de rejet dans un rayon de 100 m, doivent être identifiées de sorte de ne pas capter une eau venant déjà d’un échange thermique, ou de réaliser un rejet près d’un captage d’un tiers quel  qu’il soit.

Cette disposition doit être inscrite dans la demande d’autorisation au Service Maritime afin d’attirer l’attention sur le fait que d’autres ouvrages ne devront pas dans le futur être “autorisés“ d’une manière trop rapprochée.

La distance entre captage et rejet est prépondérante pour éviter les risques de court-circuitage à la fois pour ses propres ouvrages que pour les ouvrages éventuellement voisins.

Cette distance est à considérer sur le plan horizontal mais également vertical. En effet, pour un captage réalisé à 25 mètres de profondeur par exemple (températures et paramètres de l’eau devenant “stables“), un rejet en surface sur le même plan vertical ne serait pas préjudiciable.



  • La qualité de l’eau :

Selon le contexte, l’eau peut être chargée de M.E.S (matières en suspension), de sable, ..., et d’éléments polluants.
Pour “améliorer“ la qualité de l’eau et donc du pompage, des ouvrages de décantation et de tranquillisation doivent être prévus d’autant plus si l’on se situe dans un contexte houleux (sable en suspension, vase, ...) ou pollué (M.E.S, sacs plastiques).

Cela se traduit par l’étude précise de la meilleure localisation physique du captage dans une zone déjà tranquillisée ou bien en profondeur. Ensuite, par l’élaboration de chambres de décantation de matières en suspension ou lourdes, notamment dans le cas de pompage près du rivage ou dans un port.



  • Cas des marées :

Les marées ne sont pas à négliger puisqu’elles ont des amplitudes de l’ordre de 1 mètre (zone Monaco/Nice). Ce qui positionnera déjà les tubes de captage et de rejet. Plus que les marées, l’amplitude de la houle est à prendre en considération car elle va véhiculer des agressions considérables contre les ouvrages (qui seront donc à protéger) et l’environnement du rivage lui-même : modifications des profils de plage, des matériaux tels que graviers, rochers, ...
Une étude rapprochée avec les Services Maritimes doit alors s’effectuer, voire une étude géologique donnant une indication sur la stabilité du sol où s’effectuent les ouvrages de captage et de rejet.





Plages de températures exploitables pour les pompes à chaleur


  • Captage eau de mer :

La plage de température exploitable pour l’eau de mer est :


En hiver  Captage ≥ 14°C
En été  Captage ≤ 25°C



La température d’eau de mer à 14°C se retrouve assez souvent dans des profondeurs de l’ordre de 3 mètres en hiver. Le profil de température autour de 14°C est beaucoup plus stable dès que la profondeur est de l’ordre de 30 mètres, où la température d’eau de mer évolue entre  14  et 16°C.
Ce qui signifie que dans la mesure du possible, il est intéressant de réaliser un captage profond pour optimiser les conditions d’échange en été (gains sur C.O.P machines).

D’une manière plus pratique, nous recommandons que le captage s’effectue entre 3 m et 30 m, toutes considérations de marée et de houle étant intégrées.
A noter que des relevés journaliers de températures d’eau de mer peuvent être fournis par le Service Maritime selon la localisation.


  • Rejet eau de mer :

Le rejet d’eau de mer dans le cas d’échange avec des machines thermodynamiques sera normalement plus froid que l’eau de captage en hiver et plus chaud en été.
Nous n’avons pas trouvé de règles écrites en la matière si ce n’est que le contexte de rejet plus chaud en été aurait tendance à développer plus d’inquiétude que de changement de l’écosystème de la zone où le rejet s’effectue.

En fait, cela relève d’une étude au cas par cas en fonction :

- De l’irrigation de la zone où se fait le rejet. Est-ce aussi une zone enclavée ?

- De la diffusion du rejet en un seul tube ou par de multiples buses favorisant l’induction et le mélange.

- De la hauteur du niveau du rejet, soit dans des strates déjà chaudes de l’eau de mer.

- De l’éloignement par rapport à la zone de rivage plus “habitée“ et donc plus sensible par les organismes marins.

- Du niveau de puissance énergétique par rapport à la zone où s’effectue le rejet. Si par exemple, 10 MW de puissance chaud se rejettent dans une petite zone enclavée du rivage, l’écosystème risque d’être perturbé et de changer.




C’est pourquoi, une règle empirique que l’on peut entendre dans la profession, fixe le delta T à 4°C, ce qui, compte-tenu de ce qui précède, constitue une limite basse de sécurité.


Nous pensons que cette limite peut s’augmenter à 6°C avec une réflexion minimum sur les dispositions de rejet.



Soit en résumé :


Captage 14°C  ≤ Captage ≤ 25°C
Rejet 8°C  ≤ Rejet ≤ 31°C


A noter que les températures de 8°C ou de 31°C sont des paramètres de calculs aux conditions maximales théoriques de l’installation; ces chiffres ne donnent nullement le niveau de température du milieu marin.



A titre d’exemple, les régimes de températures ayant servis de base pour l’installation du Quai Antoine 1er à Monaco, sont :


  • Régime eau de mer :

En été  22/28°C    DT  = 6°C
En hiver 15/9°C DT = 6°C




  • Régime eau tempérée :

En été  24/30°C   DT  = 6°C
En hiver 14/8°C  DT = 6°C

Fait par Philippe NUNES
Ingénieur ENSAIS-ICG et Directeur Général d'XPAIR, il intervient en apportant son éclairage et son expérience de plus de 20 ans dans les métiers du génie climatique et énergétique.

SOURCES ET LIENS

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Commentaires

  • Guillaume
    06/09/2012

    Cette approche thermodynamique de géothermie marine est intéressante; Cela fait plus de 30 ans que cette technologie est utilisée à Monaco. Centres de congrés et toute la SMB sont équipés de pompes à chaleur sur eau de mer à Monaco. Je voulais apporter une information encore différente, c'est l'utilisation de l’énergie motrice issue de la mer. Il s’agit des hydroliennes sous-marines mais également les ailes et voiles destinées à récupérer l’énergie des vagues Le marin n’est-il pas une énergie d’avenir pour les zones côtières ? La France occupe la quatrième place au niveau des surfaces de fonds marins et cette étendue devrait encore croitre avec le passage de 450 à 600 km des distances à partir des côtes. Pourquoi n’y a-t-il pas plus de R&D dans ce domaine ? ( Energie renouvelable, pérenne, gratuite, illimitée, … ).

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