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15/09/2020 1 Production d’Electricité par Géothermie Potentiel Mondial Exploita

15/09/2020 1 Production d’Electricité par Géothermie Potentiel Mondial Exploitable de Production d’Electricité par Géothermie MWe Production d’Electricté Géothermique dans le Monde (Source 2003) 15/09/2020 2 Ressources en Europe Production d’Electricité par Géothermie en Europe (MWe Installés) Source 2007 • Centrales électriques ont besoin de vapeur pour produire de l’électricité. • Turbine alimentée en vapeur et reliée à un générateur électrique. • Centrale d’énergie par voie géothermique utilise la vapeur provenant des réservoirs géothermiques. Conversion en Energie Electrique : Comment ? 15/09/2020 3 Fonctionnement de l’extraction de chaleur • Extraire la chaleur des roches et l’apporter à la surface : besoin d’un fluide caloporteur. • Lorsque ce fluide existe dans le sous-sol avec une bonne perméabilité des roches Présence d’un aquifère productif. • Si la roche est peu ou très peu perméable : ouverture de fissures par stimulation hydraulique et création d’un échangeur de chaleur Fonctionnement de l’extraction de chaleur • Réservoirs souterrains perméables (aquifères) : Exploitation au moyen de forages. •Technologie actuelle du forage géothermique: atteignable à la profondeur de 6 km. • Un forage géothermique dans un réservoir fortement productif fournit un potentiel élevé d’énergie. Exemples: Meaux, bassin parisien: 300 m3/h d’eau pompée à 78°C = 17 MW thermiques. Darajat, Java : réservoir de vapeur sèche à 245°C = 40 MW électrique. Types de centrales géothermiques dans le monde Centrale de Nesjavellir (60 MWe), Islande Centrale ORC de Puna (30 MWe), Hawaii Centrale ORC de Sao Miguel (8 MWe), Açores Une des 23 centrales à vapeur sèche Geysers, Californie 15/09/2020 4 Conversion de l’énergie géothermique en électricité (1) Puissance électrique nette fournie par: Centrale à fluide binaire fonction de : • température du réservoir • débit de production. (MWe) • Source de chaleur: Fluide géothermique extrait du sol • Conversion chaleur Puissance électrique avec cycles thermodynamiques • Tin : Température fluide géothermique en entrée de la turbine • Tout : Température du fluide en sortie de la turbine • Tambient: Température de la source froide • : Chaleur apportée par le fluide • : Puissance électrique produite Q  E  Conversion d’Energie (Rappels) Quelques définitions Rendement thermique (1ère loi de la thermodynamique): Rapport entre la puissance électrique nette produite par la turbine avec l’énergie apportée à la turbine habituellement faible !!!!! (5 - 20%) 15/09/2020 5 Puissance maximale théorique extraite du fluide: Quelques définitions Comparaison de la puissance réelle produite avec la puissance maximale théorique qui pourrait être produite pour un fluide géothermique donné (Exergie du fluide géothermique) Rendement Exergie (Carnot) : ) ln( out in out in lm T T T T T            lm in T T Q E 0 1  Performance de la turbine à gaz à partir de la seconde loi thermodynamique : Cycles thermodynamiques pour la conversion d’énergie en électricité • Comment récupérer l’Exergie disponible ? – Direct Steam Plants – Flash Steam Plants – Binary Cycle Power Plants • Sélection du Cycle Thermodynamique dépendra des propriétés du fluide géothermique : – Température du fluide géothermique – Propriétés géologiques (type de minéraux) Turbine : Principe de fonctionnement • Source de chaleur: Fluide géothermique extrait du sol • Avantage : Pas de combustion Simplification technologique !!! 15/09/2020 6 Centrales avec Cycles à Vapeur d’Eau Sèche (180 – 350 °C) Procédé simple mais rarement utilisé !! Puissance/unité 1 – 5 MW Cycle Thermodynamique Associé Single Flash Steam Power Plant : Principe (Cycle à Vaporisation) (T > 150°C) 15/09/2020 7 Principe d’un séparateur Effet cyclonique • Séparateur ôte les particules solides et les liquides en utilisant la force centrifuge. • Le gaz entrant au sommet du séparateur est forcé dans un mouvement tourbillonnant. Les particules solides et le liquide sont projetés contre les parois du séparateur. • Les particules solides et le liquide se rassemblent dans le fond du séparateur. Ils quittent le séparateur par un contrôle du niveau. • Le mouvement tourbillonnant crée un vortex à l’intérieur du séparateur. Le gaz se déplace par ce tourbillon jusqu’au sommet du séparateur. Diagramme Thermodynamique S-T Diagramme Thermodynamique h-T 15/09/2020 8 1) Débit de fluide dépend de la pression en tête de puits 2) Ecoulement isenthalpique entre puits et circuit primaire 3) Deux cas à considérer selon nature du fluide avant séparateur Puits et Séparateur • T > Teb pas besoin de séparateur (uniquement du gaz) • T < Teb Séparateur  Fonction des conditions thermodynamiques de la vapeur et de l’eau 4) Fraction de vapeur définie par un bilan d’énergie au niveau du séparateur 5) Mélange vapeur/eau en équilibre dans séparateur 6) Enthalpie de la vapeur en sortie du séparateur = Enthalpie de vapeur saturante à la pression du séparateur 7) Bilan de masse au niveau du séparateur (pas de pertes de charge) Turbine 1) Conversion d’une partie de l’enthalpie du fluide vapeur en travail mécanique. 2) Electricité produite par alternateur. 3) Hyp: Turbine isentropique !! Enthalpie isentropique en sortie de turbine = Enthalpie à même entropie qu’en entrée et à pression p2 4) Rendement isentropique de turbine: donnée fournie par industriel 5) Travail fourni par turbine 15/09/2020 9 Condenseur Echangeur d’énergie entre fluide de travail et fluide froid (eau ou air). ) ( ) ( 1 2 2 1 c c cold h h m h h m      Dual Flash Steam Power Plant : Principe Objectif : Augmenter le rendement de la turbine à gaz Diagramme Thermodynamique S-T 15/09/2020 10 Diagramme Thermodynamique h-T Séparation Vapeur/Liquide Comparaison des performances Single Flash system • Fluide géo. : Eau / Vapeur • Paramètres en sortie de puits: • Tin = 200°C • P = 17 bar • M = 84 kg/s • Single flash (Entrée turbine): • T = 130 °C • P = 2.6 bar • M = 13.7 kg/s Puissance de la turbine : 7060 kW Puissance net de l’installation : 5500 kW Rendement Exergie: 41% - Rendement électrique : 13% 15/09/2020 11 Comparaison des performances Dual Flash system • Fluide : Eau / Vapeur • Paramètres en sortie de puits: • Tin = 200°C • P = 17 bar • M = 84 kg/s • Single flash (Entrée turbine): • T = 157°C • P = 5.6 bar • M= 8.72 kg/s Puissance de la turbine : 9700 kW Puissance net de l’installation : 8130 kW Rendement électrique : 17 % Rendement Exergie : 55 % Gain en production : + 48 % Pression optimisée : 5 bar Flash Steam Power Plants Avantages • Rendement Carnot : 30 - 50 % - Température > 150 °C • Coût Financier: - Investissement : 700 - 800 $ / kW installé - Maintenance : 100 $ / an / kW installé Exemples de Flash Steam Plants 15/09/2020 12 Binary Cycles plants : Organic Rankine Cycle (100°C – 180°C) • Deuxième fluide de travail (composé organique) circulant en circuit fermé. Hydrocarbures possédant une température d’ébullition inférieure à celle de l’eau. Procédé de fonctionnement • 1-2 : Chauffage du fluide de travail (liquide) par compression isentropique dans pompe • 2-3 : Apport de chaleur à Pcst par échangeur de chaleur (boiler) entre fluide de travail et fluide géothermique (liquide vapeur) • 3-4 : Détente isentropique dans la turbine • 4-1: Refroidissement du fluide de travail dans le condenseur (vapeur liquide) Diagramme Thermodynamique S-T Pompe Echangeur Turbine Condenseur Binary Cycles Plants : Fluides de travail 15/09/2020 13 Molécules Organiques : Avantages Détente en milieu diphasique: Contraintes mécaniques pour les aubes (érosion) Détente dans une région « Superheated » : Pas d’humidité dans l’écoulement détendu. Binary Cycles Plants : Organic Rankine Cycle Objectif: augmenter la température du fluide de travail avant l’évaporateur Possibilité d’intégrer un régénérateur après la turbine (échangeur de chaleur) Evaporateur Premier composant de la centrale 1) S1: Entrée du fluide géothermique. S2: Sortie du fluide géothermique 1 : Entrée du fluide de travail (liquide) 2 : Sortie du fluide de travail (gaz) 2) Evaporateur Echangeur 15/09/2020 14 Récupérateur 1) Echangeur de chaleur entre vapeur chaude sortant de la turbine et le condensat provenant du condenseur 2) 1: Vapeur en sortie de turbine 2 : Sortie vers le condenseur 3 : Entrée du condensat provenant du condenseur 4 : Préchauffage du fluide avant évaporateur 3) Chaleur soustraite à la vapeur sert à préchauffer le condensat Diagramme Thermodynamique S-T Diagramme Thermodynamique h-T 15/09/2020 15 Effet de la Régénération Puissance à partir de 1Kg/s de fluide géothermique à 200 °C Rendement Total Binary Cycles : Mélange de Fluides Organiques • Mélange de Fluides – Améliorer les propriétés d’évaporation – Mélange peut être adapté aux changements de température • Source à 130 °C – 98% propane / 2% pentane • Source à 200 °C - 93% isobutane / 7% hexane • Pertes en énergie réduites Rendement Exergie > 60 % !! 15/09/2020 16 Exemples de ORC Binary Cycles • Fluide de travail: Mélange d’eau et d’ammoniac • Avantage: Mélange se condense et s’évapore à une température variable. • Meilleur contrôle de la variation de température des sources chaudes et froides • Meilleure récupération de la chaleur et uploads/Geographie/ 02-geothermie-energie-electrique-2020-ep-mrie.pdf