DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un système de réhabilitation thermique des terres contaminées en utilisant des panneaux solaires thermiques en combinaison avec des panneaux photovoltaïques. Une fois l'assainissement terminé, le système peut être converti en une centrale électrique à énergie renouvelable ;

L'invention concerne en particulier une méthode et des dispositifs pour assainir les sols contenant des hydrocarbures et/ou d'autres contaminants organiques, plus particulièrement une méthode et des dispositifs pour volatiliser les contaminants du sol par conduction thermique et pour enlever ces contaminants du sol et les oxyder davantage in situ. Le système peut ensuite être converti en centrale de production électrique solaire.

ART ANTERIEUR

La dépollution des sols le biais de désorption thermique au moyen d'une circulation d'air chaud dans des tubes chauffants est connue par US2019//0143385 Al. Le chauffage de l'air utilisé par le biais de panneaux photovoltaïques est également connue.

CONTEXTE DE L'INVENTION

La contamination des sols de surface et proches de la surface est devenue un sujet de grande préoccupation dans de nombreux endroits. Le sol peut être contaminé par des contaminants chimiques, biologiques et/ou radioactifs. Les déversements de matériaux, les fuites de cuves de stockage et l'infiltration de matériaux mal éliminés dans les décharges ne sont que quelques exemples des nombreuses façons dont le sol peut être contaminé. S'ils sont laissés sur place, nombre de ces contaminants se retrouveront dans les aquifères, l'air ou l'approvisionnement alimentaire et pourraient constituer un danger pour la santé publique.

Il existe de nombreuses méthodes proposées pour éliminer les contaminants de surface, telles que l'excavation suivie d'une incinération, la vitrification in situ, le traitement biologique, les additifs chimiques pour la désactivation, le chauffage par radiofréquence, etc. Bien qu'elles soient efficaces dans certaines applications, ces méthodes peuvent être très coûteuses et ne sont pas pratiques si de grandes surfaces de sol doivent être traitées.

Un procédé qui peut être utilisé pour éliminer les contaminants du sol souterrain est un procédé d'extraction de la vapeur du sol. Dans ce processus, un vide est appliqué au sol pour aspirer l'air et la vapeur à travers le sol souterrain. Le vide peut être appliqué à une interface sol/air, ou le vide peut être appliqué par des puits à vide placés dans le sol. L'air et la vapeur peuvent entraîner et transporter des contaminants volatils vers la source du vide. Les effluents gazeux extraits du sol par le vide, qui comprennent des contaminants qui se trouvaient dans le sol, sont ensuite transportés vers une installation de traitement où ils sont traités pour éliminer ou réduire les contaminants à des niveaux acceptables.

La désorption thermique in situ peut être utilisée pour augmenter l'efficacité d'un processus d'extraction des vapeurs du sol. La désorption thermique in situ implique le chauffage in situ du sol afin d'en augmenter la température tout en éliminant simultanément les effluents gazeux du sol. La chaleur ajoutée au sol contaminé peut élever la température du sol au-dessus des températures de vaporisation des contaminants présents dans le sol et provoquer la vaporisation des contaminants. Un vide appliqué au sol permet d'aspirer le contaminant vaporisé hors du sol.

Une des méthodes de chauffage d'un sol contenant des contaminants consiste à injecter un fluide chauffé dans le sol. Une telle méthode est par exemple décrite dans le brevet US n°6.000.882. La méthode décrite ici consiste à introduire un système de tuyaux perforés dans le sol. Un courant d'air chaud est envoyé à travers les tuyaux. L'air chaud est injecté dans le sol à travers des perforations dans les tuyaux au niveau des perforations des tuyaux. Une vapeur contaminante est formée dans le sol, qui peut être retirée du sol par les perforations des tuyaux et évacuée vers une unité de traitement des effluents gazeux. Un inconvénient majeur de ce type de méthode est toutefois que l'injection d'air chaud dans le sol a tendance à créer des chemins préférentiels d'écoulement de la vapeur dans le sol. En conséquence, l'air chaud n'est pas distribué de manière homogène dans le sol contaminé, mais s'accumule plutôt au niveau de l'injection dans le sol, c'est-à-dire dans et autour des perforations des tuyaux.

Une autre façon de chauffer un sol consiste à chauffer un sol par conduction thermique. Le chauffage par conduction thermique d'un sol contaminé en combinaison avec l'élimination des gaz contaminants du sol à l'aide d'un système d'extraction de vapeur est un art ancien.

La présente invention vise à fournir une solution alternative pour traiter le sol ex situ en simplifiant la méthode et en optimisant le traitement. Elle consiste notamment à traiter la terre contaminée dans un conteneur isolé permettant d'obtenir une température plus élevée de la terre contaminée plus rapidement.

Les terres contaminées comprennent les terres qui ont été contaminées, par exemple par une utilisation industrielle antérieure, des déversements accidentels ou toute autre pollution. Les types de contaminants comprennent les hydrocarbures de pétrole, les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les composés chlorés, d'autres substances organiques diverses ainsi que des composés inorganiques et des métaux lourds. Un type spécifique de terrain contaminé, défini comme friche industrielle, est défini comme des propriétés commerciales ou industrielles abandonnées, inutilisées ou sous-utilisées où les actions passées ont causé une contamination environnementale, mais qui ont encore un potentiel de réaménagement ou d'autres opportunités économiques. Les autres sites contaminés sont définis comme des terrains contenant des contaminants qui sont actuellement utilisés pour leur destination initiale et/ou qui n'ont aucune utilisation prévue, c'est- à-dire des terrains qui n'ont aucune valeur significative pour un quelconque développement immobilier.

L'Inventaire des sites contaminés fédéraux du Canada recense actuellement plus de 23 000 friches industrielles fédérales au Canada, dont plus de 5 000 sites contaminés actifs. Selon l'Agence américaine de protection de l'environnement, une friche industrielle est définie comme une propriété dont l'extension, le réaménagement ou la réutilisation peuvent être compliqués par la présence ou la présence potentielle d'une substance dangereuse, d'un polluant ou d'un contaminant. On estime qu'il existe actuellement plus de 450 000 friches industrielles aux États-Unis.

Il est souhaitable d'assainir à la fois les friches industrielles et les autres terrains contaminés pour permettre leur réutilisation à des fins économiques et/ou sociétales. De nombreux gouvernements ont mis en place des programmes visant à promouvoir et à aider à la réhabilitation des sites contaminés. Cependant, en particulier dans le cas de grands sites ayant peu ou pas de valeur économique, les coûts de réhabilitation sont souvent prohibitifs par rapport au bénéfice économique et/ou sociétal qu'ils peuvent apporter. En outre, les technologies actuelles sont soit abordables mais pas totalement efficaces (biorestauration, phytoremédiation), soit efficaces mais coûteuses (fouille et transport, désorption thermique). Cela conduit, dans l'ensemble, à l'inaction et à une utilisation non durable des terres.

Des fermes solaires existent et sont parfois développées sur des terrains contaminés, en particulier pour une utilisation bénéfique de ces terres, sans toutefois que les sols ne soient traités. Les fermes solaires sont définies comme de grandes surfaces de panneaux photovoltaïques installées sur ces terres et produisant de l'électricité.

Dans certains cas, cette électricité sert, en tout ou en partie, à fournir de l'énergie à une technique d'assainissement peu efficace, telle que la biorestauration, l'extraction de la vapeur du sol, le bioventing ou même la désorption thermique électrique in situ. Le bilan énergétique global reste médiocre car l'énergie solaire est d'abord transformée en électricité qui est ensuite transformée en énergie mécanique ou thermique, ce qui donne des rendements très faibles.

Un collecteur solaire thermique recueille la chaleur en absorbant la lumière du soleil. Le terme "collecteur solaire" désigne généralement un dispositif de chauffage solaire de l'eau, mais il peut s'agir de grandes installations de production d'électricité telles que les bacs paraboliques solaires et les tours solaires ou de dispositifs ne servant pas à chauffer l'eau, tels que les chauffe-air solaires.

Les capteurs solaires thermiques sont soit non concentrés, soit concentrés. Dans les capteurs non concentrateurs, la surface d'ouverture (c'est-à-dire la surface qui reçoit le rayonnement solaire) est à peu près la même que la surface d'absorption (c'est-à-dire la surface qui absorbe le rayonnement). Ce type de capteur n'a pas de parties supplémentaires, sauf le capteur lui-même. Les capteurs à concentration ont une ouverture beaucoup plus grande que la surface d'absorption (des miroirs supplémentaires concentrent la lumière du soleil sur l'absorbeur) et ne récoltent que la composante directe de la lumière du soleil.

Les capteurs non concentrateurs sont généralement utilisés dans les bâtiments résidentiels et commerciaux pour le chauffage des locaux, tandis que les capteurs concentrateurs des centrales solaires à concentration produisent de l'électricité en chauffant un fluide caloporteur pour entraîner une turbine reliée à un générateur électrique.

L'invention permet de résoudre des problèmes essentiels de pollution à grande échelle, en particulier dans des pays où la ressource solaire est abondante.

L'invention permet de résoudre des problèmes essentiels de pollution à grande échelle, en particulier dans des pays où la ressource solaire est abondante, avec un impact minimal sur les émissions de CO2. De plus, l'invention permet de maintenir l'installation en fonctionnement après la dépollution pour la production d'électricité et le stockage d'énergie solaire dans le sol dépollué. De la sorte, l'installation devient une unité de production d'électricité solaire à la demande, découplée de la production effective de rayonnement solaire.

DESCRIPTION

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

La présente invention consiste en une méthode de dépollution par désorption thermique utilisant l'énergie solaire, permettant de dépolluer de grandes surfaces polluées sans apport extérieur d'énergie, au moyen d'une installation solaire pouvant, après la dépollution, être utilisée comme centrale de production d'énergie électrique et de stockage de chaleur.

L’invention consiste à placer un réseau de concentrateurs solaires sur toute la zone contaminée, où ces concentrateurs solaires chauffent un fluide qui circule dans un réseau de tuyaux horizontaux et verticaux. Ce réseau est commandé par des vannes automatiques actionnées par un dispositif d’automatisation qui dirige le fluide vers les éléments chauffants verticaux adéquats.

La technique se base sur une répartition graduelle de chaleur produite au moyen de concentrateurs solaires dans le sous-sol, en combinaison avec un système de destruction in situ des polluants afin de ne pas rejeter de composés toxiques à l'atmosphère pendant la dépollution.

Lorsque le site est entièrement dépollué, l'installation continue à fonctionner comme unité de production d'énergie électrique, avec stockage dans le sol de la chaleur produite en attendant sa conversion en électricité.

Les termes "sol contaminé" et "sol contenant des contaminants" sont utilisés ici comme synonymes et doivent être compris comme incluant tous les types de sols qui peuvent être contaminés par des hydrocarbures ou autres composés organiques. La chaleur par conduction se produit lorsque deux milieux ou objets matériels sont en contact direct, et que la température de l’un est supérieure à celle de l’autre. La conduction de chaleur consiste en un transfert d’énergie cinétique du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. Le terme "conduction" tel qu’il est utilisé dans le présent document désigne donc tous les types de transfert de chaleur dans lesquels la chaleur est déplacée d’un objet (plus chaud) à un autre objet (plus froid) par contact direct. Il est entendu que dans la présente invention, lorsqu'il est question de transfert de chaleur par conduction, une très petite quantité de chaleur est généralement aussi transférée au sol par rayonnement. La présente invention consiste d'une part en un réseau de puits de chauffage verticaux (7) installé sur un terrain contenant des polluants volatils et/ou semi- volatils, avec une interdistance de 1,0 à 3,5 m, de préférence entre 1,5 et 2,0 m et à une profondeur variable pour s'adapter à la profondeur de la contamination (11). Chaque élément de chauffage vertical (7) est construit à partir de 2 tubes métalliques, coaxiaux, composés d'un tube intérieur (12) et d'un tube extérieur (13) et où le fluide chaud entre dans le tube central et remonte à travers l'espace annulaire entre le tube intérieur et le tube extérieur. Les tubes extérieurs ont un diamètre variable allant de 20 à 250mm et préférentiellement entre 30 à 100 mm, en fonction de la profondeur de l'élément chauffant et de la valeur calorifique du fluide chauffant. Une vanne électrique télécommandée (4) est placée sur le tube intérieur et/ou à la sortie du tube extérieur (3) et sert à réguler le débit du fluide chauffant passant par l'élément chauffant vertical ; Un oxydateur catalytique individuel (9) est placé contre le tube vapeur extérieur (8), sous le niveau du sol, créant un environnement chauffé dans lequel ledit oxydateur catalytique (9) peut fonctionner efficacement.

En plus, I' oxydateur catalytique (9) peut oxyder complètement les polluants organiques extraits du sol. Dans un mode de réalisation préféré les concentrateurs solaires et les tubes de chauffage du sol sont placés en alternance afin de minimiser les pertes thermiques du fluide calloporteur entre le moment où le rayonnement solaire est converti en chaleur et le moment où cette chaleur est transférée au sol au sein des tubes métalliques (7)

D'autre part, le réseau est constitué d'un ensemble de concentrateurs solaires (1), directs ou à concentration, permettant de convertir l'énergie du rayonnement solaire (6) en réchauffement d'un fluide calloporteur. Ce fluide est alors injecté dans le réseau (2) afin de chauffer le sol contaminé (11).

Ce fluide, autre que de l'air, préférentiellement de l'eau à laquelle, dans un mode de réalisation préféré est ajoutée un ou plusieurs produits permettant d'augmenter sa capacité calorifique, est alors injecté dans le réseau (2) afin de chauffer le sol contaminé (11).

Le réseau d'éléments chauffants (7) et le réseau de panneaux solaires (1) est tissé de manière à ce que le chauffage par rayonnement solaire et le chauffage du sol alternent et soient aussi efficaces que possible. Dans un mode de réalisation préféré, le fluide calloporteur peut être dirigé vers une pile de terres contaminées à traiter par désorption thermique, de manière similaire à celle utilisée pour traiter in situ.

Dans un mode de réalisation préféré, un ensemble distinct de panneaux photovoltaïques est installé afin de fournir de l'électricité à certains éléments essentiels pour la circulation des fluides et/ou l'extraction des polluants

Dans un mode de réalisation préféré, les vannes automatiques télécommandées (3, 4 et 5) permettent de diriger le fluide calloporteur vers certaines zones spécifiques en fonction de leur niveau de contamination et en fonction de la quantité d'énergie disponible.

Dans un mode de réalisation préféré, les vannes automatiques télécommandées (3, 4 et 5) sont fermées afin d'éviter la circulation du fluide calloporteur lorsque les panneaux solaires ne produisent pas de chaleur (la nuit par exemple).

Dans un mode de réalisation préféré, l'unité d'oxydation catalytique (9) est munie d'un dispositif de pré-chauffage électrique relié à des panneaux photo -voltaïques. Dans un mode de réalisation préféré le chauffage solaire du sol est léger et permet d'accélérer la bio-dégradation in situ ;

Dans un mode de réalisation préféré le système active la désorption thermique à haute température pendant une période de temps courte avant de laisser un chauffage léger dans la zone pré-traitée pour activer la bio-remédiation

Dans un mode de réalisation préféré les éléments chauffants (7) sont également placés dans la zone saturée (nappe aquifère) si celle-ci est polluée ; Le chauffage de la nappe permettant ainsi de déclencher soit des réactions d'oxydation chimique in situ (oxydation et/ou réduction) soit de démultiplier l'efficacité de la biodégradation naturelle dans la nappe en aval de la zone (diffusion de chaleur et hausse légère de la température jusqu'à 15 à 50°C et préférentiellement de 25 à 35°C)

Dans un mode de réalisation préféré, l'ensembles des tubes de chauffe (7) pour la désorption thermique est maintenu par la suite afin de constituer un échangeur de chaleur permettant de stocker la chaleur produite par les concentrateurs solaires en lieu et place d'une production directe d'électricité. Ceci permet de stocker de l'énergie afin de la transformer en électricité au moment le plus approprié.