Michel Gauthier, d'après l'IOA Newsletter Vol.2,No.1,2/Spring,Summer 1991
Une usine ETM à l’échelle industrielle
La conduite d’eau froide (CEF)
Le montage et l’installation de l’usine en mer- L’échec
Commentaires du Club des Argonautes
Introduction
Georges Claude avait onze ans en 1881 quand le physicien français d'Arsonval proposa d’extraire de l’énergie de la différence des températures entre l’eau de surface et l’eau des profondeurs de l’océan tropical. Quarante ans plus tard, devenu riche et célèbre pour ses travaux sur la liquéfaction industrielle des gaz, il reprendra l’idée de celui dont il avait été l’élève à l’École de Physique et de Chimie de Paris.
Avec Paul Boucherot , un ancien camarade d’étude, ils imaginent de faire bouillir dans une enceinte maintenue à une pression suffisamment basse de l’eau de mer pompée en surface, et d’utiliser la vapeur ainsi formée pour produire de l’électricité dans un turbo-alternateur dont le condenseur serait refroidi par de l’eau froide pompée en profondeur.
Cette invention présentée à l’Académie des Sciences le 15 novembre 1926 sous leurs deux noms: le « procédé Claude et Boucherot », est connue aujourd’hui sous le nom d’ « Énergie Thermique des Mers » - ETM .
Dès cette présentation la critique se fit sévère. Les détracteurs du procédé avancèrent tout à la fois que l’eau profonde se réchaufferait pendant sa remontée vers la surface, qu’un trop faible écart des températures ne permettrait pas de fournir suffisamment d’électricité pour assurer le pompage de l’eau de mer et le maintien du vide dans l’installation, en d’autres termes que son bilan énergétique serait négatif, et que les tuyauteries d’alimentation ne pourraient résister aux forces destructrices de l’océan.
Pour démontrer le bien fondé de son invention Claude fait une première expérience à Ougrée en 1928. Il utilise de l’eau à 33°C provenant du système de refroidissement d’un haut-fourneau et l’eau de la Meuse, à 13°C. Il en tire suffisamment d’enseignement pour conclure à la possibilité de faire fonctionner son procédé avec de l’eau douce, et un écart de température de 20°C. Une seconde expérience, à Cuba en 1930, lui confirme que le procédé peut fonctionner avec de l’eau de mer et que le bilan énergétique est positif. Il ne lui reste plus qu’à franchir une dernière étape : montrer que l’exploitation industrielle de la ressource ETM est économiquement viable.
Une usine ETM à l’échelle industrielle.
Dès le début de ses travaux l’objectif de Claude était le développement d’usines de fortes puissances, de plusieurs centaines de megawatts pour distribuer de l’électricité à des réseaux de consommateurs, à des conditions acceptables de sécurité et de coût.
Après le succès de son expérience cubaine il espérait construire un pilote d’usine ETM de puissance intermédiaire, (il envisageait qu’une puissance de 25 megawatts représentait une étape intermédiaire de taille suffisante), pour évaluer les contraintes et les aléas de son exploitation, les réduire ou y remédier si possible, et obtenir des données sur les coûts de production.
S’il imaginait, pour le futur, que seules des « stations » ancrées en mer pourraient assurer « la stabilité impeccable et quasi perpétuelle requise » il lui apparu rapidement que le coût d’une véritable « île flottante » serait rédhibitoire pour y installer son pilote et qu’il devrait se satisfaire d’une installation à terre, en un endroit suffisamment proche de la ressource d’eau froide pour minimiser le coût de la tuyauterie d’aspiration profonde.
Mais les effets de la grande crise des années 1930, « ces circonstances exceptionnelles qui pèsent sur le monde », ne lui permettront pas de trouver les partenaires et lever les fonds nécessaires à la réalisation de ce pilote.
Pour avancer il lui faudra avancer seul, sur sa fortune personnelle. Il imagine donc un projet moins coûteux basé « sur un mode de réalisation très différent » de ceux qu’il avait considéré jusqu’alors et dont l’idée résulte des conséquences même de la crise.
Il va acheter à très bas prix un navire que le marasme économique à conduit à désarmer et il y installera une usine ETM. Mais au lieu de vendre l’énergie produite, il l’utilisera à bord pour fabriquer un produit dont la commercialisation est compatible avec d’éventuelles interruptions intempestives de l’usine encore immature.
Et puisque la ville de Rio de Janeiro offre pendant l’été austral un débouché commercial pour de la glace industrielle, et que son port n’est qu’à une centaine de kilomètres d’une zone où la ressource ETM est accessible, la première usine ETM commerciale sera………une usine à glace !
En 1933 Claude achète le navire «Tunisie », un cargo de 10 000 tonnes et en confie l’aménagement aux Chantiers de France, à Dunkerque. La saison chaude au Brésil commence en décembre et se termine en mars il faudra donc être prêt à produire en temps voulu. En septembre 1933 le « Tunisie » est à Dunkerque. Les Chantiers de France avec son directeur M. Le Foll, tout acquis aux idées de Claude, offrent toutes les garanties techniques pour exécuter les travaux de transformation du navire. Ils dureront près d’un an et emploieront environ 500 personnes.
Le Tunisie à quai
L’Usine ETM embarquée.
Comme celle de Cuba l’usine est conçue selon le principe de « l’ETM à cycle ouvert ».
C’est l’ébullition sous basse pression de l’eau de mer chaude qui fournira la vapeur de la machine thermique. Sur le navire débarrassé d’une grande partie de ses superstructures et de ses panneaux de cales, l’usine ETM de 2,2 MW est contenue dans une enceinte cylindrique étanche au vide en acier d’épaisseur variant entre 12 à 14 mm, de 6 mètres de diamètre et longue de 23. Située à 10 mètres au-dessus de la ligne de flottaison et dans le plan médian du navire, elle est divisée en 9 compartiments : 5 d’évaporateurs et 4 de condenseurs, séparés par des cloisons verticales. Chaque compartiment évaporateur alimente, selon son emplacement, une ou deux turbines posées sur un plancher dans la partie supérieure de l’enceinte. Pour des raisons qui seront explicitées plus loin, la vapeur d’échappement est envoyée pour moitié dans deux ensembles de condenseurs : les uns « à mélanges » et les autres « à surface », comme indiqué sur le schéma d’implantation générale de la figure ci-dessous. Chacune des turbines de 2,5 mètres de diamètre doit fournir entre 275 et 230 kilowatts de puissance mécanique pour des écarts de température entre eau chaude et eau froide compris entre 20 et 22°C.
L'usine à glace ETM
Les 8 turbines construites selon les indications de G.Claude par les Établissements MALISSET et BLINS sont calées sur un axe horizontal traversant l’enceinte dans toute sa longueur. Aux extrémités de cet axe et à l’extérieur de l’enceinte sont accouplés, vers la poupe, un alternateur de 800 kilowatts et vers la proue, un compresseur rotatif à ammoniac de 1300 kilowatts destiné à l’usine à glace. Un turbo alternateur auxiliaire de 250 kilowatts alimenté par les chaudières du navire fournira la puissance nécessaire au démarrage de l’usine.
L’expérience de Cuba a déjà permis à Claude de vérifier plusieurs points importants pour le fonctionnement du procédé ETM cycle ouvert et le dégazage sous vide de l’eau de mer. Il a vérifié que l’eau chaude ne moussait pas abondamment, ce qui aurait perturbé le fonctionnement des turbines comme lui prédisaient certains de ses détracteurs, et que l’eau froide restait, elle aussi, « limpide ». Il a aussi vérifié que dans les conditions de pressions et de températures du procédé, les trois quarts des gaz dissous, dans l’eau de surface principalement, dégazaient naturellement quand l’eau était introduite dans l’évaporateur et que l’équipement de maintien sous vide de l’enceinte ne consommerait « guère plus de 7 à 8 % » de l’énergie produite par l’usine et non 40 % comme l’assuraient certains. La puissance du compresseur d’extraction des gaz conçu par l’ingénieur Rateau est de 200 kilowatts. C’est un compresseur mécanique rotatif à 17 roues tournant à 17 000 tours par minutes.
Les alimentations en eaux chaude et froide dans l’enceinte sous vide qui contient les évaporateurs et les condenseurs se font par aspiration barométrique. Ceci explique la hauteur de10 mètres entre la ligne de flottaison du navire et le niveau de l’enceinte. Les débits : 6 et 5 mètres par seconde respectivement pour l’eau de surface et l’eau profonde, sont assurés par 16 turbo-pompes à hélice.
La conduite d’eau chaude a 2 mètres de diamètre ; elle déborde latéralement sur le flanc du navire. Les rejets d’eau de surface et d’eau de fond mélangées, se font par un collecteur unique en acier de 2,8 mètres de diamètre débordant aussi sur le flanc du navire. G.Claude fera a posteriori la remarque que cette disposition rendait les deux conduites très vulnérables à la mer ; elle aurait, sous l’effet de la houle, mis l’usine « sous le risque perpétuel d’un désamorçage catastrophique » et qu’il eut été plus judicieux de les placer sous le navire, comme l’était la prise d’eau froide.
La conduite d’eau froide (La CEF).
La conduite d’aspiration profonde d’eau froide est constituée de tronçons cylindriques de 2,5 mètres de diamètre et longs de 15 mètres, en tôles d’acier soudées. L’épaisseur des viroles d’acier varie de 3 millimètres, pour les plus profondes, à 3,5 millimètres pour celles proches de la surface. Les tronçons sont raccordés entre eux par brides et boulons pour former une CEF de 650 mètres dont la partie supérieure est suspendue à un flotteur de tête sphérique de 9 mètres de diamètre en acier de 12 millimètre d’épaisseur, immergé à 15 mètres sous la surface.
La CEF est maintenue verticale grâce un caisson d’ancrage accroché sous son tronçon le plus profond. C’est un caisson cylindrique de 15 tonnes à vide; il est ouvert à sa partie supérieure ce qui permettra de le lester en y jetant du minerai depuis la surface. (voir figure ci-contre).
Le raccordement entre le haut de la CEF arrimé au flotteur sphérique immergé et le puits d’arrivée d’eau froide sur le navire est assuré par un tronçon souple en toile capable de supporter à la fois les déplacements relatifs du flotteur et du navire par un pliage « en accordéon », et aussi la dépression correspondant à la somme des pertes de charge. (voir figure ci-contre). Toute la CEF est recouverte d’un calorifugeage en bois.
Implantation générale
Les opérations de pose de la CEF sont prévues de la manière suivante :
- Repèrage du site à la profondeur voulue et mouillage de deux bouées d’amarrage A et B, amarrage du flotteur sphérique, du navire le « Tunisie » et de l’un des quatre chalands de transport des tronçons de la CEP sur la bouée A, puis amarrage du remorqueur de transport et des trois autres chalands sur la seconde bouée B .
- Le flotteur sphérique convenablement stabilisé par des contre-poids est utilisé comme support de pose. Il est surmonté d’un monte-charge qui servira à l’introduction et à la descente des tronçons de CEF au travers de la cavité cylindrique qui le traverse. Le premier tronçon de la conduite est raccordé au caisson d’ancrage non encore lesté.
- La longueur de CEF requise étant réalisée, on introduira 200 tonnes de minerai de fer dans la conduite. Ce lest ira remplir le caisson d’ancrage de façon à entraîner l’immersion du flotteur.
- Enfin un scaphandrier installera la manche souple de raccordement du puits central d’arrivée d’eau froide à l’extrémité supérieure de la CEF suspendue au flotteur sphérique.
L’usine à glace.
Profitant de l’eau froide à 5°C pompée en profondeur et « d’autres circonstances favorables ( ?) », G.Claude estime que l’écart de température pour « fabriquer les frigories ne dépassera pas 12 à 14 °C au lieu des 30 à 35 ° des usines à glace traditionnelles de ces régions qui sont alimentées en eau à 20 ou 25 °C……..ainsi la mer fournira l’énergie et permettra de l’utiliser en produisant deux à deux fois et demie plus de glace que si on envoyait cette énergie à la côte ».
Le compresseur Rateau à ammoniac de 1 300 kW peut fournir 8 000 frigories par kilowattheure mécanique et l’usine pourrait produire 2 000 tonnes de glace par jour. Mais il est prévu dans une première phase de n’exploiter que la moitié de cette capacité. C’est donc 1 000 mètres cubes d’eau douce environ qui seront nécessaires à la production journalière de 1 000 tonnes de glace. Cette eau douce sera fournie par la vapeur d’eau condensée dans les deux compartiments de condenseurs « à surface » prévus en complément aux condenseurs « à mélange ».
Le circuit d’ammoniac de l’usine à glace fonctionne entre 3,4 et 6 bars. Les deux congélateurs sont construits dans une enceinte cylindrique de 5,5 mètres de diamètre, à fonds plats en acier de 40 millimètres d’épaisseur fortement entretoisés. Les deux plaques de fond sont reliées entre elles par 12 000 tubes verticaux de forme tronconiques semblables à des cierges longs de 1,4 mètre et de diamètre variant de 24 à 30 millimètres de la base à l’extrémité supérieure. C’est dans ces cierges creux, obturés à leur base par des bouchons de bois et baignant dans le bain d’ammoniac, que l’eau douce se congèlera. Un réservoir d’eau douce provenant, rappelons-le, des condenseurs à surface de l’usine ETM, est situé au dessus des congélateurs et en permet le remplissage par gravité.
Le temps nécessaire à la congélation est de l’ordre de 15 à 20 minutes. L’injection d’ammoniac gazeux dans le bain de congélation fera remonter sa température en quelques minutes ce qui déclenchera le décollement des cierges de glace et leur remontée à la surface du réservoir d’eau d’où ils seront extraits puis transbordés mécaniquement sur le chaland de transport amarré au navire-usine. Il est prévu 3 cycles complets de congélation par heure.
Le montage et l’installation de l’usine en mer- L’échec.
La reconnaissance du site choisi pour le mouillage du Tunisie a été réalisée en utilisant un sondeur à ultrasons Langevin-Florisson. Elle a permis de délimiter à 70 miles au sud de la baie de Rio et à 130 kilomètres du port - et non pas à 100 comme l’avait d’abord cru G.Claude - une zone d’un kilomètre carré par 600 mètres de profondeur au relief assez régulier où les dénivellations n’excèdent pas 20 mètres.
En janvier 1935, le mouillage de la première bouée s’effectue normalement. La bouée est un cylindre métallique de 1,5 mètre de diamètre et haut de 3 mètres. Elle est reliée à une paire d’ancres de 3 tonnes par un câble long de 800 mètres en acier de 32 millimètres. Après la mise à l’eau du corps de bouée le câble auquel sont accrochées des « barriques vides » espacées de 40 mètres, est déployés en surface puis les deux ancres sont mouillées. Le corps de bouée peint en rouge émerge à sa mi-hauteur. On peut le repérer à l’œil nu à 2, 5 miles et de « 5 à 6 miles à la jumelle ».
Le Tunisie s’amarre à la bouée et pendant plusieurs jours Claude procède à des essais de tenue des ancres par vent de 8 à 15 nœuds et des courant de 0,7 mètres par seconde. L’effort exercé par le navire sur sa ligne d’ancrage n’excède jamais 5 tonnes.
On profite de ce maintien en station pour mesurer la température de l’eau profonde grâce à deux thermomètres à renversement filés le long d’une ligne de sonde et bloqués à 8 mètres au-dessus du fond. La précision de la mesure est de 0,1 °C et Claude s’étonne des sautes de température de l’ordre de 1° C que l’on observe à des intervalles de temps relativement courts - d’environ 15 minutes. Il émet l’hypothèse qu’il existe peut-être « une sorte de houle des couches sous-marines, de grande amplitude ».
La température de l’eau de surface qui variait entre 24 et 25 °C en novembre est de 27 °C quand les opérations commencent. Rappelons-nous que nous sommes en janvier et que déjà les retards se sont accumulés. D’abord le Tunisie n’est arrivé à Rio que le 6 octobre, plus d’un mois après la date prévue, puis un premier caisson d’amarrage a coulé pendant son remorquage vers le site. Enfin, après le mouillage de la seconde ligne d’ancrage Claude s’aperçoit qu’à la suite d’une erreur, les deux bouées flottent à seulement 200 mètres l’une de l’autre et que cette distance est trop courte pour amarrer toute sa flottille de pose forte de sept unités: le Tunisie, le flotteur sphérique, 4 chalands et un remorqueur ! Il faut donc déplacer l’une des bouées de 1 000 mètres en relevant l’ensemble du câble et des ancres, soit près de 8 tonnes de matériel par 660 mètres de fond.
C’est donc avec près de 4 mois de retard qu’enfin, le 8 février 1935, les opérations de montage de la conduite profonde peuvent reprendre. Les chances de pouvoir faire fonctionner l’usine pendant la saison chaude, celle de la demande maximale pour le marché de la glace, qui se termine en mars, s’amenuisent. Le montage des premiers tronçons continue sans difficultés. Le temps de montage d’un tronçon passe de 50 minutes pour le premier à 30 pour le troisième et Claude espère pouvoir terminer la pose en 36 heures. Le flotteur sphérique qui « constituait avec ses 130 tonnes un véritable roc » se comporte convenablement, comme un « ludion », sans roulis ni tangage, mais avec un pilonnement qui dépasse souvent 2 mètres. La mer est houleuse et la météo brésilienne ne dispose d’aucun moyen pour informer Claude de l’arrivée du mauvais temps qui arrive généralement du Sud ou du Sud Est à la vitesse de 20 à 30 miles à l’heure.
’est après la mise en place du quatrième tronçon que de violentes secousses ébranlent le flotteur. Elles sont dues au déphasage entre les mouvements du caisson d’ancrage immergé et ceux du flotteur sphérique encore en surface. Claude songe à introduire un peu de lest dans le caisson pour l’alourdir, mais après la pose du cinquième tronçon les liaisons entre l’extrémité de la conduite et le caisson se rompent. Il est maintenant trop tard pour réparer. D’ailleurs G.Claude ne pourrait pas supporter les dépenses supplémentaires qu’entraîneraient l’immobilisation des 15 000 tonnes de moyens à la mer et le paiement des salaires des 80 travailleurs qui en assurent la mise en œuvre. Il se décide à abandonner l’aventure après avoir lui-même « blessé à mort le superbe appareil d’un coup de dynamite » pour le couler et s’enlever ainsi toute possibilité de la poursuivre.
Commentaires du Club des Argonautes
Certains semblent avoir tiré de cet échec des conclusions négatives, qui, ajoutées aux déboires politiques de Georges Claude à la Libération, ont probablement nui à l’image de l’ETM.
Au plan technique, l’expérience du "Tunisie" a surtout mis en évidence qu’il était à l'époque très hasardeux de mouiller une conduite de grand diamètre à partir d'un navire monocoque, très sensible aux courants et à la houle, sans positionnement dynamique et sans prévisions de météorologie marine fiables.
Depuis, les techniciens de "l'offshore" ont développé, pour l’extraction du pétrole et la pose d'émissaires en mer, des techniques (utilisation de plate formes semi-sub, positionnement dynamique relatif et absolu, prévision des états de mers, moyens de communication, etc..) qui rendent ces travaux en mer moins aléatoires.
L’expérience du "Tunisie" reste, pour la partie thermodynamique du système, un modèle de réalisation exemplaire de production d'énergie par la filière ETM, modèle à mettre à l’actif de Georges Claude, ingénieur hors pair, précurseur de nombreuses innovations.
Bibliographie :
1) «Histoire et politique française en matière d’énergie thermique des mers» ; J.M. Meurville. DEA STS ; Conservatoire des Arts et Métiers. Septembre 1995.
2) « Ma vie et mes inventions », Georges Claude, Plon 1957.
3) «THE PIONEER OTEC OPERATION: LE TUNISIE ». NewsletterVol.2,No.1,2/Spring,Summer 1991
à URL : http://www.clubdesargonautes.org/otec/vol/vol2-1-10.htm