II L'énergie géothermique

 

1) Les différentes formes d’énergie géothermique

2) L'exploration

3) L'extraction

4) Les productions

5) Les utilisations

 

1) Les différentes formes d’énergie géothermique

 

L’énergie géothermique présente dans le sous-sol apparaît sous plusieurs formes. Ses différentes formes sont caractérisées par la température.


Tout d’abord, nous retrouvons  l’énergie géothermique très basse énergie. Elle est utilisée à de faibles températures (10 à 30°C). On retrouve cette énergie dans les couches chauffées par le soleil, environ 30 mètres. Elle peut-être utilisée pour le chauffage et la climatisation si on adjoint une pompe à chaleur.


La géothermie basse énergie concerne les eaux de 30 à 90°C. Les gisements sont localisés entre 1500 et 2500 mètres de profondeur. Les réservoirs exploités sont le plus généralement situés dans des sols poreux imprégnés d’eau, comme par exemple le sable. Nous ne pouvons pas produire de l’électricité à partir de cette énergie, néanmoins elle reste très utile pour le chauffage.

 

géothermie basse énergie

géothermie basse énergie

 


La géothermie moyenne énergie (90 à 150 °C) se présente sous forme d’eau chaude ou de vapeur humide .Nous la retrouvons dans des zones exploitables par la haute énergie mais à une profondeur inférieure à 1 000 mètres. Elle se situe également dans des bassins sédimentaires à une profondeur de 2 000 à 4 000 mètres. Cependant, pour obtenir de l’électricité, il est nécessaire d’utiliser un fluide intermédiaire.


Ensuite, la géothermie haute énergie est supérieure à 150°C. Les réservoirs sont localisés entre 1500 et 3000 mètres de profondeur, dans des zones de gradients géothermaux anormalement élevé. Le fluide peut-être capté sous forme de vapeur sèche ou humide pour la production d’électricité, lorsque le réservoir existe.

geothermie haute energie

géothermie haute énergie


La géothermie profonde des roches fracturées (« hot dry rock » en anglais) s’apparente à la création artificielle d’un gisement géothermique dans un massif cristallin. Nous injectons de l’eau sous pression dans la roche à des profondeurs situées entre 3 et 5 kilomètres. L’eau se réchauffe en circulant dans les fissures des roches créées par l’Homme, puis nous la pompons et elle est utilisée pour la production d’électricité.

2) L'exploration

Comme nous l’avons vu dans la première partie, la géothermie est présente en tout point du globe. Cependant, il est nécessaire lors du montage d’une opération géothermique de trouver les lieux les plus favorables. En premier lieu, on effectue une phase de reconnaissance à l’aide de données préexistantes notamment celles obtenues lors de forages pétroliers, géologiques et lors de la recherche d’eau. Ensuite, la géologie, l’hydrogéologie, la géochimique et la géophysique sont des techniques utilisées pour caractériser plus précisément la ressource. De plus, des forages de reconnaissance peuvent être effectués.
La géologie permet de définir la nature de la roche, la succession et l’âge des couches du sol ainsi que leurs structures tectoniques.
L’hydrogéologie permet d’évaluer la ressource du point de vue de sa qualité, de la quantité disponible et de connaître les écoulements de fluide dans le réservoir.
La géophysique consiste à utiliser différentes données physiques et à les retranscrire en données géologiques. Les techniques utilisées sont la sismique (observation de la réflexion d’ondes envoyées vers le sol permettant de déterminer les limites des structures : failles) et la gravitimétrie (mesure de la pesanteur) permettant d’identifier les anomalies du sous sol : roches à haute densité, à faible densité.
La géochimie consiste à étudier la répartition des éléments chimiques dans la roche et dans les minéraux, leur nature et leur origine.
Le forage d’exploration est peu utilisé car coûteux mais il permet de récolter des informations plus précises. Une étude des déblais de forages et des carottages donnent des informations supplémentaires sur les couches traversées.

 

forage

forage d'exploration

 


A la fin de cette exploration, nous retrouvons les informations essentielles du gisement : la température, le débit, la pression.
A la suite de ces investigations, on peut réaliser un inventaire des ressources géothermales en dressant des cartes en particulier dans des bassins sédimentaires tel que le bassin parisien pour les aquifères profonds. Cet inventaire a eu lieu dans le Bassin parisien dans les années 70.

carte dogger

carte du dogger parisien légendes:

Sillon marneux (non aquifère)
Peu favorable
Favorable
Plus favorable
Très favorable

 

3)L'extraction

Pour extraire l’énergie accumulée dans la croûte, il faut la prélever dans l’eau des aquifères ou directement dans les terrains. Différentes techniques existent pour cette extraction :

puit canadien

puit canadien

 

 

fondation géothermique

schéma d'une fondation géothermique

 

capteur horizontal

capteur horizontal

 

 

Les trois procédés décrits ci-dessus n’utilisent pas les aquifères comme réceptacle de la chaleur.

 

géothermie des tunnels et des mines

géothermie des tunnels

 

 

forage schéma forage

forage rotary / forage marteau fond de trou

 

doublet géothermique

doublet géothermique

 

4) Les productions

La production de chaleur

1. L ’obtention d’un débit

Pour qu’une installation géothermique fonctionne, il faut un débit d’eau suffisamment puissant et régulier. Si la pression dans le réservoir profond est supérieure à celle de l’extérieur, l’eau peut jaillir naturellement à la sortie du forage : c’est un puits artésien. A l’inverse, si l’eau ne sort pas toute seule, il faut installer une pompe. Celle-ci est composée de deux parties :
- une partie hydraulique, immergée descendue dans le forage entre 100 et 400 de profondeur
- un moteur

Il existe trois types de pompe :


- pompe immergée
- pompe à arbre long placés en surface
- turbopompe fonctionnant grâce à un circuit géothermal

Ces montages sont utilisés dans les exploitations de basse énergie. Dans celles de haute énergie, l’eau se vaporise dans le forage et un mélange eau-vapeur jaillit du forage.

 

différentes pompes

les différentes pompes

 

2. Les échangeurs de chaleur

Dans le cas d'une source géothermale à haute température, l'énergie du fluide peut être directement transformée en énergie électrique via une turbine et envoyée sur le réseau de distribution électrique.
Dans le cas de la géothermie basse énergie, un échangeur est généralement placé entre le circuit géothermal et le circuit de distribution de chaleur : un échangeur de chaleur .Cet solution est indispensable en cas d'une eau corrosive. La chaleur géothermique peut ensuite être utilisée directement.
Si la température de la ressource n'est pas adaptée à l'usage prévu, on peut avoir recours à un système de pompe à chaleur.
La performance d'un échangeur placé dans une installation de géothermie est caractérisée par l'écart entre les températures à l'entrée de la boucle géothermale et à la sortie du circuit géothermique.
Cet écart appelé « pincement », doit être aussi faible que possible (de l'ordre de 2°C). La maintenance de ce matériel doit être aisée en raison des risques d'encrassement. Les matériaux utilisés dans les échangeurs doivent pouvoir résister à la corrosion inhérente à la majorité des fluides géothermaux. Ils peuvent être constitués en acier revêtu, en acier inoxydable ou en titane. Ce dernier matériau s'est révélé particulièrement adapté aux exigences d'exploitation du fluide du Dogger du Bassin parisien chargé notamment en sulfures.
Une pompe à chaleur (que nous abrègerons par PAC) permet le transfert de l’énergie d’une zone à basse température vers une zone à température plus élevée. Ce transfert consomme certes un peu d’énergie, mais comme l’énergie totale restituée par la PAC est supérieure à l’énergie consommée, ce qui permet une économie d’énergie et une réduction des émissions polluantes.
Une PAC réduit donc la température de la zone qui fournit l’énergie (appelée « source froide ») et augmente la température de la zone qui reçoit l’énergie (« source chaude »). Il en résulte qu’une PAC peut assurer simultanément des besoins de chauffage et/ou de rafraîchissement.
Elle dispose de 4 organes principaux :


- L’évaporateur : la chaleur prélevée dans le sol vaporise un fluide frigorigène.
- Le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la température du fluide frigorigène en le comprimant.
- Le condenseur : en retournant à l’état liquide, le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l’habitation.
- Le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide.

Nous distinguons :

Les PAC à compression, où une énergie mécanique est fournie au compresseur via un moteur (électrique ou gaz).
Les PAC à absorption, où l’énergie apportée est de la chaleur. Elles sont plutôt utilisées pour générer du froid.

Lorsqu'il n'y a pas d'eau dans le proche sous-sol, on peut encore exploiter la chaleur diffuse en implantant dans la terre, verticalement ou horizontalement, des capteurs chargés d'un fluide caloporteur. Associés à une pompe à chaleur, ils offrent pratiquement les mêmes avantages.
Pour une maison individuelle, la profondeur d'une sonde verticale sera comprise entre 30 et 150 mètres. Le dispositif peut être installé dans n'importe quel milieu géologique. Selon la nature du sous-sol, on choisira la formule la plus adaptée : aiguilles, serpentins, forage.
Les capteurs verticaux sont délicats à poser. Il est nécessaire de faire appel à une entreprise de forage qualifiée et de respecter les procédures administratives concernant la protection du sous-sol. L'emprise au sol est minime par rapport à des capteurs horizontaux.
On estime que deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 120 m2 habitables. Les nappes souterraines peu profondes (de quelques dizaines à quelques centaines de mètres) présentent des températures qui varient de 12° à 30°C selon la profondeur.
La ressource peut servir pour des utilisations de chauffage et d'eau chaude sanitaire en ajoutant en surface une pompe à chaleur (PAC). Celle-ci permet de transférer l'énergie pour atteindre une température plus élevée afin de chauffer la maison.
Ce transfert consomme de l'énergie, mais l'énergie totale restituée par la PAC est bien supérieure à celle qui est fournie pour la faire fonctionner. On parle d’un coefficient de performance (COP) qui peut varier de 3 à 5, voire plus pour les machines les plus récentes.
Ainsi, les pompes à chaleur, à compression ou absorption, permettent de produire de l’eau chaude (sanitaire ou pour le chauffage, à 50 ou 60°C) à partir d’une ressource à basse température (12 à 30°C). Elles peuvent, à l’inverse, servir pour le refroidissement ou la climatisation, il suffit d'inverser le circuit de fonctionnement : on parle alors de pompes à chaleur réversibles.
Comme nous l’avons vu, la production de chaleur correspond à la géothermie basse et très basse énergie. Ces installations sont souvent couplées avec une pompe à chaleur comme dans 50% des cas aux Etats–Unis .Les leaders du marché européen sont la Suède et la Suisse. Entre 2000 et 2005 la puissance installée dans le monde a quasiment doublé passant de 15 144,9MW à 27 824,8MW. En 2005, le premier producteur de chaleur géothermique est les Etats–Unis avec une puissance de7 814.4 MW suivi dans l’ordre par la Suède avec une puissance de 3840.0MW et de la Chine avec une installation de 3687.0 MW de puissance. La France quand à elle ne possède qu’une installation de 305MW.

 

pompe à chaleur

schéma d'une pompe à chaleur

 

production de chaleur

production de chaleur

 

La production d’énergie électrique:

 

On peut obtenir de l’énergie mécanique ou électrique en utilisant la vapeur issue du sous-sol pour faire tourner une turbine. Cela concerne surtout la géothermie moyenne et haute énergie. A l’intérieur du réservoir géothermal, on trouve de l’eau sous forme liquide, à l’état de vapeur ou encore un mélange de ces deux états. Un forage géothermique peut donc produire de la « vapeur sèche » (vapeur seule) ou de la « vapeur humide » (mélange des deux états). L’état de l’eau dépend de la pression et de la température de son environnement. Ces valeurs déterminent également le potentiel énergétique du forage, appelé « enthalpie ». De plus, on emploie différents systèmes d'éxploitation selon la nature et les propriétés du fluide :

 

 

 

 

Cette dernière technologie est commercialement développée depuis les années 1980. On l’utilise principalement avec des fluides géothermaux dont la température varie entre 90°C et 150°C. Cependant, elle est limitée à de petites puissances (quelques centaines de kW à quelques MW), et s’adapte particulièrement aux besoins électriques des zones insulaires ou les zones de montagnes, qui sont la plupart du temps isolées et éloignées des réseaux de distribution d’électricité.
La production d’électricité concerne 350 installations géothermiques dans le monde hautes et moyennes énergie. La puissance de ces installations est de 8.9 gigawatts ce qui représente 0.3% de la puissance mondiale électrique. La géothermie couvre 0.4% des besoins en énergie de la planète .Le premier producteur d’énergie géothermique est les Etats- Unis avec une puissance en 2005 de 2288 MW, suivi par les Philippines avec une puissance 1931 MW. Le troisième producteur mondial est le Mexique avec une puissance installée de 953 MW. La localisation de producteur d’électricité géothermique est en adéquation avec l’existence de ressources importantes suffisamment chaudes pour en dégager de l’électricité c'est-à-dire comme au niveau de la ceinture de du pacifique. En France, il n’existe qu’une seule plateforme d’une puissance de 15 MW située à Bouillante en Guadeloupe.

 

production d'énergie

production d'électricité

 

 

Les productions multiples:

 

En plus du chauffage et/ou de l’électricité, il est intéressant parfois d’exploiter les minéraux dissous dans l’eau géothermale tel que le lithium, l'iode, le brome ou l'acide borique. Certains gaz dissous comme le méthane (CH4), le gaz carbonique (CO2) peuvent aussi être exploités.
De plus, si le fluide géothermique est de l’eau, il peut être exploité comme eau potable ou pour toute autre utilisation.

 

5) Les utilisations :

L’énergie géothermique est utilisée dans cinq secteurs d'activités comme la pisciculture ou le chauffage commun. C’est un atout pour la géothermie.
En ce qui concerne le chauffage urbain l’utilisation de la géothermie passe par un réseau de chaleur c'est-à-dire un réseau de canalisations chargé de distribuer la chaleur dans des sous-stations au pied de chaque immeuble ou de chaque groupe d'immeubles.
Avec la géothermie, on peut aussi chauffer des maisons ou des bâtiments isolés.

 

tableau des différentes utilisations de la géothermie tableau présentant les différentes utilisations de l'energie géothermique

 

chauffage urbain

résau d'utilisation de la géothermie

 

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