Le dispositif objet de l'invention est un concept de centrale de production d'électricité totalement ou presque totalement immergée dont l'objectif est la conversion d'énergie de la houle en électricité (centrale électrique houlomotrice immergée). La plupart des systèmes de production d'électricité à partir de la houle mis en oeuvre actuellement sont des dispositifs de surface (Pelamis, SEAREV, SEMREV, Oyster 1 et 2 , Wavebob, Oceanlinx, SCG...). La centrale électrique houlomotrice immergée objet de ce brevet utilise des pompes autonomes immergées sur le plancher océanique à la profondeur choisie et tirant leur énergie de fonctionnement de la houle telles que décrites dans les demandes de brevets [publication n° 2970524 et demande N°1103752] afin de pomper l'eau de mer nécessaire à faire fonctionner des générateurs électriques à turbines hydrauliques ou a hélices. Un premier exemple de dispositif est présenté sur la figure 1. La centrale est dans ce cas totalement immergée. Des canalisations d'alimentation (1) de sections et de dimensions adaptées collectent l'eau aspirée dans la mer par les pompes immergées tirant leur énergie de la houle (2). L'eau est injectée dans les canalisations (1) à la pression d'utilisation Pu supérieure à la pression régnant à la profondeur d'immersion des générateurs Pi. Les flèches (2') indiquent le sens d'écoulement de l'eau à la sortie des pompes (2). Les canalisations (1) sont raccordées aux conduites d'éjection (3) dans lesquelles ou à l'extrémité desquelles sont placés des générateurs électriques (de courant continu ou alternatif) à turbines hydrauliques ou à hélices immergeables (4) dont la turbine (ou l'hélice) est actionnée par le flux d'eau éjectée de la canalisation (3) à la pression Pu.vers l'extérieur (l'océan) à la pression Pi. Les générateurs sont connectés à un réseau ou tout autre système de transformation par les câbles électriques isolés (5) qui peuvent cheminer sur le fond océanique jusqu'au 25' littoral lorsque le dispositif de transformation/distribution/commande y est installé. Le nombre et la dimension des pompes (2) raccordées aux canalisations d'alimentation (1), le nombre, la section et la dimension des canalisations d'alimentation (1) et le nombre, la section et la dimension des conduites principales (3) munies de générateurs électriques (4) à turbines hydrauliques ou à hélices sont déterminés en fonction des 30 conditions locales de houle du lieu d'implantation et de la puissance électrique de la centrale recherchée. L'ensemble de ces éléments est solidement fixé, par des moyens adéquats, sur le plancher océanique à l'endroit et à la profondeur de fonctionnement choisis. Les conditions de houle (hauteur de vagues, fréquence des vagues...), variables au cours du temps pour un même lieu, entrainent une variation du débit d'eau pompé 35 par les pompes tirant leur énergie de fonctionnement de la houle (2). Afin que les générateurs fonctionnent dans les conditions optimales, il est intéressant que la centrale dispose de plusieurs générateurs, dont le nombre en fonctionnement dépendra du débit total d'eau disponible (associé au nombre de pompes (2) et aux conditions de houle). Les vannes (6) sont chargées de la régulation, de l'interruption ou de la restauration de 40 l'alimentation en eau de chaque générateur. Les vannes d'isolement des pompes (7) peuvent être fermées pour inactiver les pompes en cas d'événement atmosphérique violent ou permettre les opérations de maintenance sur les pompes inactivées sans interruption du fonctionnement de la centrale. Dans le cas d'une immersion des pompes (2) proche de la côte, il est possible de disposer les générateurs (4) à terre sur le littoral. 45 L'eau pompée sur le site d'immersion des pompes est alors acheminée par la canalisation (3) cheminant sur le fond océanique jusqu'aux générateurs (4) disposés sur le littoral. Dans ce cas, l'eau injectée dans la canalisation (3) à la pression d'utilisation Pu est envoyée sur les turbines des générateurs et éjectée à la pression atmosphérique. - 2 - ' 1 Une perte de charge additionnelle sur la canalisation (3) due à l'accroissement de sa longueur peut réduire un peu la puissance disponible. Cet effet peut être minimisé par augmentation de la section de la canalisation (3). La figure 2 présente une configuration de centrale où seule une canalisation verticale (1) de grand diamètre, aussi appelée colonne, surmontée ou non d'un réservoir d'eau (2) de forme et de volume adéquat (sphère, cylindre...) ouvert à l'atmosphère par sa partie supérieure, émerge à plusieurs mètres (h) au dessus du niveau de la mer. Comme dans la centrale de la figure 1, l'eau pompée dans la mer à la profondeur de l'installation est injectée par les pompes tirant leur énergie de fonctionnement de la houle (4) dans les canalisations d'alimentation (3). Ces dernières sont raccordées à la base de la colonne (1) émergeante. En même temps que l'eau est accumulée dans la colonne (et son réservoir) elle peut s'écouler vers l'extérieur par les conduites d'éjections (5) chacune munie d'un générateur à turbine hydraulique ou à hélice (6) chargé de produire de l'électricité à partir de l'éjection de l'eau contenue dans la colonne (1) vers l'extérieur. La hauteur h d'équilibre au dessus du niveau de la mer de l'eau contenue dans la colonne (1) et son réservoir (2) est atteinte lorsque le débit entrant (pompé par les pompes immergées (4)) correspond au débit sortant par les conduites (5). Le nombre et la dimension des pompes (4) raccordées aux canalisations d'alimentation (3), le nombre et la dimension des canalisations d'alimentation (3) et le nombre et la dimension des conduites d'éjection (5) munies de générateurs électriques à turbines hydrauliques ou à hélices sont déterminés en fonction des conditions locales de houle du lieu d'implantation et de la puissance électrique choisie de la centrale. Les conditions de houle, variables au cours du temps pour un même lieu, entrainent une variation du débit d'eau disponible pompé par les pompes (4). Afin que les générateurs fonctionnent dans les conditions optimales, il est intéressant que la centrale dispose de plusieurs générateurs, dont le nombre en fonctionnement dépendra du débit total d'eau disponible. Les vannes (8) sont chargées de la régulation, de l'interruption ou de la restauration de l'alimentation en eau de chaque générateur. Les vannes d'isolement des pompes (9) peuvent être fermées pour inactiver les pompes en cas d'événement atmosphérique violent ou permettre les opérations de maintenance sur les pompes inactivées sans interruption du fonctionnement de la centrale. Le réservoir (2), quant à lui, peut selon sa forme et son volume permettre la régulation du débit d'eau éjecté par (5) ou bien permettre l'accumulation d'eau pendant les périodes de faible consommation électrique et réinjecter cette eau dans les canalisations (5) lors des périodes de fortes demandes permettant ainsi l'adaptation de la production de la centrale électrique houlomotrice à la consommation. Cette configuration de centrale présente peu de nuisance visuelle et peu de perturbation du trafic maritime côtier dans la mesure où seule une colonne (ou quelques colonnes selon le cas) surmontée ou non d'un réservoir d'accumulation émerge à la surface de l'eau, les autres éléments de la centrale étant immergés et solidement fixés par des moyens adaptés sur le plancher océanique à la profondeur requise pour éviter toute perturbation du trafic maritime au dessus de l'installation. Pour un dispositif fonctionnant en régime stabilisé, la puissance maximale extractible P (W) dépend de la différence d'altitude, h (m), entre le niveau de l'eau dans 45 la colonne (1) ou le réservoir (2) et le niveau de la mer, de la masse volumique de l'eau p (kg/m3) et du débit D (m3/s) éjecté par la (les) turbines. Cette puissance est donnée par la formule : P = Dpgh (g représente l'accélération de la pesanteur, g=9,84m/s2) - 3 - 1 Avec une différence de hauteur h de 10 m et un débit D de 1 m3/s P est égal à 100 kW. Une variante du dispositif de la figure 2 consiste en un réservoir d'accumulation (2) non mis à l'air. La colonne (1) peut être maintenue. L'eau pompée par les pompes (4) augmente le volume d'eau stocké ainsi que la pression dans l'ensemble colonne (1) et réservoir (2). La hauteur d'eau et la pression d'équilibre sont obtenus lorsque le débit injecté par les pompes est égal au débit éjecté au niveau des générateurs. Dans le dispositif de la figure (3) le réservoir qui n'est pas mis à l'air (pas en contact avec l'atmosphère) est immergé sur le plancher océanique ou comme sur la figure (3) creusé sous le plancher océanique. Lors du remplissage du réservoir (2) par l'eau injectée par les pompes (4) à la fois le volume d'eau stocké et la pression dans le réservoir sont augmentés. La puissance instantanée extractible est alors dépendante de la différence de pression entre l'entrée (pression régnant dans le réservoir (2) diminuée de la pression de la colonne d'eau h) et la sortie de la turbine du générateur (pression à la profondeur d'immersion du générateur). Ce dispositif est alors totalement immergé. La figure 4 est une variante du dispositif de la figure 2 où le réservoir d'accumulation (2) est situé en altitude sur la terre ferme. La canalisation (1) chemine sur le fond océanique puis sur la terre pour relier le réservoir (2) au dispositif de pompage et de production d'énergie (3) équivalent à celui présenté figure 2. Cette disposition du réservoir a déjà été mise en oeuvre sous cette forme, le pompage étant réalisé par des pompes électriques alimentées par des centrales conventionnelles. Cette disposition est citée pour exemple de l'état de l'art. Elle peut être mise en oeuvre lorsque les pompes tirant leur énergie de la houle et les autres éléments de la centrale sont immergés non loin des côtes. Elle présente l'avantage d'une centrale totalement immergée (la partie émergeante étant sur le littoral) et la possibilité d'avoir un bassin d'accumulation important permettant l'accumulation d'énergie et donc la régulation et l'adaptation de la production à la demande. Dans le cas de la centrale présentée sur la figure 5 une cheminée ou colonne (1) émerge au dessus du niveau de la mer. Elle est connectée par sa partie basse à un réservoir d'accumulation/régulation (2), encore appelé réservoir tampon immergé fixé sur le plancher océanique à la profondeur d'immersion de la centrale. Les pompes tirant leur énergie de fonctionnement de la houle (4), raccordées aux canalisations (3) connectées au réservoir (2), aspirent l'eau dans le réservoir, à la pression Pr, et la rejettent à l'extérieure à la pression d'immersion de la centrale Pi. En fonctionnement, la pression dans le réservoir (2), Pr, est égale ou supérieure à la pression atmosphérique Patm. Pr est inférieure à la pression régnant à la profondeur d'immersion Pi des éléments (pompes, générateurs...) de la centrale. Les canalisations (5) connectées à la cheminée (1) ou au réservoir (2) sont munies de générateurs électriques à turbine hydrauliques ou à hélices (6). Elles sont situées au dessus ou au même niveau que le réservoir (2) et sont parcourues par l'eau de mer de l'extérieur, à la pression Pi, vers l'intérieur de la cheminée (1) ou du réservoir (2), à la pression Pr (Pr < Pi). Le flux d'eau entrant actionne les turbines ou hélices des générateurs. Ce débit dépend de la différence d'altitude (h) entre le niveau de la mer et les canalisations (5) lorsque le niveau de l'eau dans la cheminée (1) ou le réservoir (2) est situé au dessous des canalisations (5). Ce débit dépend de la différence d'altitude entre le niveau de la mer et le niveau de l'eau dans la colonne (1) lorsque le niveau de l'eau dans la colonne (1) est situé au dessus des canalisations (5). Une différence d'altitude d'équilibre h est atteinte lorsque le débit d'extraction de l'eau du réservoir (2) par les pompes (4) est égal au - 4 - 1 débit entrant par les canalisations (5). Comme pour les dispositifs précédents, le nombre et la dimension des pompes (4) raccordées aux canalisations (3), le nombre et la dimension des canalisations (3) et le nombre et la dimension des canalisations d'injection (5) munies de générateurs électriques à turbines hydrauliques ou à hélices sont déterminés en fonction des conditions locales de houle, de la profondeur d'immersion et de la puissance électrique recherchée de la centrale. Les conditions de houle, variables au cours du temps pour un même lieu, entrainent une variation du débit d'eau disponible pompé par les pompes (4). Afin que les générateurs fonctionnent dans les conditions optimales, il est intéressant que la centrale dispose de plusieurs générateurs, dont le nombre en fonctionnement dépend du débit total d'eau disponible. Les vannes (8) sont chargées de la régulation, de l'interruption ou de la restauration de l'alimentation en eau de chaque générateur. Les vannes d'isolement (9) des pompes (4) peuvent être fermées pour inactiver les pompes en cas d'épisode atmosphérique violent ou permettre les opérations de maintenance sur les pompes inactivées sans interruption du fonctionnement de la centrale. Comme précédemment, le réservoir (2) peut selon sa forme et son volume permettre la régulation du débit d'eau éjectée par (5) ou bien permettre l'adaptation de la production à la consommation. La réduction du nombre de générateurs en production pendant les périodes de faible consommation électrique, correspondant à l'arrêt d'alimentation d'un certain nombre de générateurs à l'aide des vannes (8), conduit à un débit aspiré par les pompes (4) dans le réservoir (2) supérieur au débit entrant dans (2) par les générateurs en production et donc un vidage du réservoir (2) constituant de fait une réserve de capacité de production. La réouverture des vannes (8) sur le nombre de canalisations (5) d'alimentation des générateurs (6) nécessaires lors des périodes de fortes demandes permet l'augmentation instantanée de la production de la centrale pour une période dépendant du débit entrant par les générateurs et du volume du réservoir (2) disponible. De nouveau ce dispositif de centrale présente peu de nuisance visuelle et de perturbation du trafic maritime côtier dans la mesure où seule une cheminée émerge au dessus de la surface de l'océan, l'ensemble des autres éléments de la centrale (pompes, générateurs, réservoirs, canalisations...) étant immergés et fixés avec les moyens adaptés sur le fond océanique à la profondeur choisie. La figure 6 représente une variante du dispositif de la figure 5 où la canalisation (1) de connexion entre le réservoir immergé (2) et l'atmosphère chemine sur le fond océanique jusqu'au littoral. Cette configuration, qui peut être utilisée lorsque les éléments de la centrale sont immergés à proximité de la côte, présente tous les avantages d'une centrale totalement immergée en particulier l'absence totale de nuisances visuelles et de perturbations du trafic maritime côtier.
Le principe des dispositifs des figures 5 et 6 nécessite de lutter contre la poussée d'Archimède subie par le réservoir tampon (2) pour le stabiliser en immersion. Plusieurs solutions sont envisageables : l'ancrage du réservoir (2) sur le fond, la construction du réservoir en matériaux plus dense que l'eau afin que son poids vide soit supérieur à la poussée d'Archimède qu'il subit, une construction particulière évitant l'intrusion d'eau sous le réservoir pour annuler la poussée d'Archimède ou bien la construction du réservoir sous le plancher océanique. Une dernière configuration, qui peut être utilisée lorsque les éléments de la centrale sont immergés non loin des côtes, est la construction du réservoir (2) sur le littoral. 1 Les dispositifs présentés sur les figures 7 et 8 sont des variantes du dispositif présenté figure 5. Le réservoir tampon (2) est dans ce cas construit (creusé) sous le fond de l'océan pour éliminer la poussée d'Archimède et peut donc présenter des dimensions importantes adaptées à sa fonction de stockage d'énergie et de régulation de la production de la centrale. Les autres éléments de la centrale sont identiques à ceux du dispositif de la figure 5. La grille (5') placée en entrée de la canalisation (5) évite l'intrusion de poissons et graviers dans la canalisation susceptibles d'endommager la turbine ou l'hélice du générateur (6). Les générateurs peuvent être installés soit hors du réservoir (2) sur le plancher océanique (10) (figure 7) soit à l'intérieur du réservoir (2) ou au niveau le plus bas du réservoir (figure 8). La figure 9 présente une centrale où le réservoir tampon (2) n'est pas mis à l'air (n'est pas connecté à l'atmosphère). Les pompes aspirent l'eau dans le réservoir faisant à la fois baisser le niveau de l'eau et la pression à l'intérieur du réservoir qui peut alors être inférieure à la pression atmosphérique. Les autres éléments sont identiques à ceux de la figure 8. Cette configuration présente à la fois l'avantage d'une centrale à réservoir d'accumulation/tampon et l'immersion totale de tous ses éléments. Dans le cas des centrales présentées figures 10 et 11, le réservoir (2) est construit sur le littoral. Comme dans les dispositifs des figures 7, 8 et 9 les pompes (4) aspirent l'eau dans le réservoir (2) et la rejettent dans l'océan. Les générateurs (6) sont alimentés par l'eau circulant de la mer en direction de l'intérieur du réservoir par les canalisations (5) qui selon la distance de la centrale au littoral peut aller du réservoir (2) à la zone d'immersion des autres éléments de la centrale (figure 10) ou bien aller du réservoir (2) vers un autre point de mise en connexion avec l'océan comme sur la figure 11 où la canalisation (5) est disposée au voisinage du réservoir son extrémité supérieure étant sous le niveau de la mer. Dans le cas de la figure 12 le réservoir (2) est construit à partir du littoral et chemine sous le plancher océanique (10). Le réservoir (2) et mis à l'air par la colonne (3) comme dans la centrale de la figure 11 le générateur (6) est alimenté par l'eau de mer s'écoulant par la canalisation (5) dont l'extrémité, protégée par la grille (5') est sous le niveau de la mer. Les configurations présentées sur les figures 10, 11 et 12 ont leur réservoir (2) mis à la pression atmosphérique. Ces centrales peuvent aussi être conçues avec leur réservoir (2) non mis à l'air (non connecté à l'atmosphère) comme dans le dispositif de la figure 9.
Dans les dispositifs présentés sur les figures 10, 11 et 12 l'objectif est dans tous les cas de réduire les pertes de charges associées aux canalisations. Les générateurs peuvent être placés hors ou dans le réservoir à une altitude choisie. Le réservoir tampon (2) peut être mis à l'air ou non. Le volume, la forme et la profondeur du réservoir sont définies en fonction de la capacité de pompage et du nombre et du volume des pompes tirant leur énergie de la houle, des conditions extrêmes de houles et de la capacité d'accumulation que l'on souhaite atteindre pour un production retardée. Tous les autres éléments des centrales sont identiques. La puissance extractible des centrales présentées figure 7 à 12 dépend du débit d'eau D dans les canalisations (5) et de la différence d'altitude h entre le niveau de la mer et le niveau des turbines (lorsque le niveau de l'eau dans (2) est plus bas que la sortie des turbines (figure 7) ou entre le niveau de la mer et le niveau de l'eau dans le réservoir (2) lorsque le niveau dans (2) est au dessus de la sortie des turbines (figure 8). Lorsque le réservoir (2) n'est pas mis à l'air, la puissance extractible dépend du débit d'eau et de la différence entre la pression à la profondeur d'immersion des générateurs et la pression régnant à l'intérieur du réservoir (2). En période de fonctionnement lorsque la consommation (la demande) d'électricité est faible, un certain nombre de générateurs peuvent être arrêtés par interruption de leur alimentation en fermant les vannes (8) sur les canalisations (5). Les pompes (4) vident plus vite le réservoir tampon (2) qu'il n'est rempli par l'entrée d'eau par les générateurs restant en fonctionnement. Le réservoir peut ainsi être complètement vidé, la pression interne dans le réservoir étant alors la pression atmosphérique (105 Pa) dans le cas des réservoir mis à l'air ou une pression inférieure dans le cas des réservoirs non mis à l'air (la pression limite étant la pression de vapeur d'eau à la température de l'installation). Lors de l'augmentation de la demande électrique, la puissance de la centrale peut alors être adaptée en augmentant le nombre de générateurs en service par ouverture des vannes (8). La capacité de production retardée et son maintien sur une période de temps donnée dépendent du volume du réservoir tampon (2) disponible et du débit d'eau entrant par les générateurs nécessaires à la production demandée. Une différence de niveau h d'équilibre s'établit lorsque le débit pompé par les pompes (4) est égal au débit entrant par les canalisations (5) alimentées conduisant pour une condition de houle donnée à une production d'équilibre correspondante. De la même manière, la centrale étant en production stabilisée pour des conditions de houle données, une augmentation soudaine de la hauteur ou de la fréquence des vagues conduira à une augmentation du débit d'aspiration des pompes (4) dans le réservoir tampon (2) alors que le débit entrant par les générateurs en production (et donc la puissance produite) restera inchangé (régulation du débit par les vannes (8)). De nouveau l'excès de débit pompé accroitra la capacité de production retardée de la centrale qui pourra ainsi être disponible à tout moment pour accroître instantanément la puissance produite. Il est important de noter que, dans la mesure où la puissance individuelle d'une pompe est de quelques dizaines à quelques centaines de watts, l'installation d'une centrale électrique houlomotrice immergée de forte puissance (de l'ordre de quelques mégawatts) nécessite l'implantation de plusieurs milliers de pompes immergées tirant leur énergie de la houle conduisant à une surface d'implantation de plusieurs milliers de mètres carrés comme la plupart des systèmes de surface utilisant la houle. Parmi les différentes configurations de centrales objet de ce brevet plusieurs sont totalement immergées (figure 1, 3 et 8 ainsi que toutes les variantes à réservoirs tampons non mis à l'air), 5 présentent les avantages de systèmes totalement immergés (figures 4, 6, 10, 11, 12), les autres ne font émerger qu'une canalisation munie d'un réservoir terminal (figure 2) ou qu'une cheminée (Figures 5, 7, 8). Ils présentent donc peu voir aucune nuisance tant visuelle (systèmes totalement ou quasi totalement immergés) que pour la navigation côtière comptes tenus de la profondeur d'immersion des éléments de pompages et de production qui peut être choisie et du très faible nombre d'éléments émergeants lorsque les dispositifs en sont munis. Les différents systèmes présentés, dont la majorité ou la totalité des éléments sont immergés présentent une faible vulnérabilité aux tempêtes et aux cyclones. En effet, les pompes immergées tirant leur énergie de fonctionnement de la houle faisant l'objet des travaux antérieurs (publication n° 2970524 et demande N°1103752) et utilisées pour les centrales objet de ce brevet peuvent fonctionner dans des conditions extrêmes. Leur solidité associée à leur forme, à leur structure simple et rigide et leur fixation solide sur le plancher océanique les rendent pratiquement insensibles aux 1 courants de fonds générés par des évènements atmosphériques violents. Néanmoins, en cas de risques jugés trop importants, ces pompes peuvent être simplement inactivés par fermeture des vannes d'isolement (7) figure 1 et (9) figures 2, 3, 5 et figures 7 à 12 ou fermeture des vannes (6) figure 1 et (8) figures 2, 3, 5 et figures 7 à 12 sur les canalisations alimentant les générateurs. La présence d'un réservoir d'accumulation ou réservoir tampon (2) figures 2 à 12 permet, lors d'un épisode cyclonique ou d'une forte tempête où les pompes (4) sont inactivées par fermeture des vannes d'isolement (9) pour les préserver d'endommagements, de maintenir la production sur une période dépendant du volume disponible dans le réservoir (2) et de la puissance produite. Le volume du réservoir (2) peut ainsi être dimensionné pour permettre une production continue sur la durée de l'épisode atmosphérique extrême.
Enfin, l'inactivation des pompes (4) par fermeture des vannes d'isolement (9) pour les préserver d'endommagements lors d'épisodes atmosphériques extrêmes, et leur réactivation par réouverture de ces mêmes vannes (9) sont des opérations simples, rapides qui ne nécessitent pas de manutentions lourdes (les vannes sont commandées électriquement ou de façon pneumatique depuis la salle de contrôle). La période d'inactivation est ainsi réduite à la durée même de l'épisode atmosphérique. Selon le site d'implantation, la marée, en particulier lorsque la différence de hauteur entre marée haute et marée basse est importante, peut venir ajouter des contraintes aux conditions de fonctionnement. De nouveau, les pompes faisant l'objet des travaux antérieurs (publication n° 2970524 et demande N°1103752) utilisées pour les centrales objet de ce brevet sont à même de s'adapter aux variations de hauteurs d'eau associées aux marées (marnage). La principale incidence sera une variation de la puissance produite par la centrale qui sera, pour des conditions de houle identiques (hauteur de vague, fréquence des vagues), plus faible à marée haute qu'à marée basse. Enfin, l'ensemble des configurations de centrales, utilisant un ensemble de pompes immergées tirant leur énergie de fonctionnement de la houle pour alimenter des générateurs à turbines ou hélices avec ou sans réservoir tampon pour produire le l'électricité peut être transposé en remplaçant les pompes utilisant l'énergie de la houle par des pompes actionnées par des éoliennes offshore. Il s'agit alors d'une centrale éolienne offshore. 40 45