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Chapitre III ENERGIE GEOTHERMIQUE I. La géothermie 1) Présentation 2) Histoire

Chapitre III ENERGIE GEOTHERMIQUE I. La géothermie 1) Présentation 2) Histoire 3) Principe de la géothermie II. Les centrales géothermiques (électriques) 1) Fonctionnement des centrales géothermiques  Centrales avec cycles à vapeur d’eau  Centrales avec fluide binaire 2) La géothermie des roches fracturées 3) Comparaisons avec les autres ENR 4) La géothermie en chiffres III. Conclusion -L’avenir de la géothermie pour la production d’électricité -Sources I.1) Présentation Science qui étudie: Phénomènes thermiques Techniques d’exploitation Quatre types de géothermie: La géothermie très basse énergie T< 30 °C La géothermie basse énergie 30°C < T < 90°C La géothermie moyenne énergie 90°C<T<150°C La géothermie haute énergie T > 150°C Deux grands domaines : Production de chaleur Production d’électricité I. 2) La géothermie : histoire • Début développement industriel : 1er essais de production d’électricité Début XXe • Première centrale de 20KWe à Larderello 1905 • Première centrale à turbines de 250KWe 1914 • 127MWe de puissance installés (mondiale) 1944 • 2.500MWe installés dans >23 Pays 1980 • 16.000MWe de puissance installée 2010 Evolution de la puissance électrique mondiale installée (géothermie) Années I. 3) Principe de la géothermie I. 3) Principe de la géothermie Principe : Capter la chaleur des profondeurs pour l’amener à la surface Energie présente dans tous les continents  Température du sol moyenne : 3-4°C / 100 mètres  Régions volcaniques plus favorables : jusqu’à 1.000°C / 100 mètres Origines de la chaleur :  La radioactivité naturelle issu : uranium, thorium, potassium..  Chaleur stockée dans des nappes d’eau = réservoirs naturels 1km² roche poreuse donne environ 15 millions TEP Moyen d’exploitation : Le Forage II. Les centrales géothermiques (électriques) II. 1) Fonctionnement des centrales géothermiques Différents types de centrales : Centrales avec cycles à vapeur d’eau (Réservoir T>150°C) ◦ Technique de l’échappement libre ◦ Technique de la condensation & double flux ◦ En surface : mélange diphasique eau-vapeur Centrales avec fluide binaire (Réservoir 90°C<T<150°C) Ressource géothermale gardé en phase liquide (avec pompe) Avantages • Système, d’exploitation simple Inconvénients • Rendement faible : consommation en vapeur élevée (16 à 20 t/h pour 1MWe) • Limitée à 1 à 5MWe Avantages • Consommation faible en vapeur : 8 à 10 t/h pour 1MW • Fortes puissances de turbines : 10 à 55MW Inconvénients • Système complexe Centrales à ﬂuide binaire (Réservoir 90°C<T<150°C°) Ressource géothermale gardé liquide (pompe) Avantages • Possibilité de mettre en parallèle plusieurs unités inconveniants • Taille modeste des centrales : quelques centaines de kW à quelques MW • Investissement plus lourd II. 2) La géothermie des roches fracturées Programme européen de géothermie profonde : Centrale de Soultz-Sous-Forêts (Alsace) -Début : 1987 -Technique : roches fracturées -3 puits de 5000 mètres (200°C) -1,5MWe de production nette Enjeux : -Nettoyer fractures naturelles -Remonter l’eau géothermale + transformation -Réinjecter l'eau II. 3) Comparaison aux autres EnR Pays Capacité (MWe) 2007 Capacité (MWe) 2010 % de la production d'électricité nationale Islande 421,2 575 30% Philippines 1969,7 1904 27% Salvador 204,4 204 25% Costa Rica 162,5 166 14% Kenya 128,8 167 11,2% Nouv. Zélande 471,6 628 10% Nicaragua 87,4 88 10% Indonésie 992 1197 3,7% Mexique 953 958 3% Italie 810,5 843 1,5% USA 2687 3086 0,3% Turquie 38 94 0,3% Japon 535,2 536 0,1% Russie 79 82 - Portugal 23 29 - Chine 27,8 24 - France 14,7 16 0,015% Allemagne 8,4 6,6 - Puissance électrique installée dans le monde (MWe) Source : Géothermal Energie Association 2010 Technologie Coût ($ / kWe) Gaz 398 Eolien 1208 IGCC (thermique) 1490 Hydraulique 1500 Biomasse 1869 Géothermie 1880 Nucléaire (avancé) 2081 Le solaire thermique 3149 Pile à combustible 4520 Photovoltaïque 4751 Coût des différentes technologies de centrales électriques Source : US Energy Information Administration (EIA) 2007 Principales utilisations de la géothermie Sources : Site web : geothermie-soultz.fr Les ressources géothermales au nord de l’Algérie Sources : Revue des Energies Renouvelables Vol. 10 N°3 (2007) 407 – 414 Gradient géothermique au niveau de cinq forages pétroliers au sud de l’Algérie Sources : Revue des Energies Renouvelables Vol. 10 N°3 (2007) 407 – 414 Courbes de variations (température – profondeur) au niveau des forages mentionnés ci-dessus 6. CONCLUSION D’après la carte de gradient géothermique, deux parties distinctes sont mises en évidence : - L’une dans le Sahara septentrional dont le gradient est moyen de 3 à 4°C/100m. - L’autre dans le Sahara occidental avec un gradient de 6°C/100m. SOURCE Document « Énergie géothermique » (Technique de l’ingénieur) de Philippe LAPLAIGE & Jean LEMALE Livre : « Les énergies renouvelables » de Jean Christian Lhomme Sites Internet : Geothermie-perspectives.fr Geothermie-soultz.fr Chiffres issus de l’Observ’Er / EDF : Observatoire européen des énergies renouvelables EXERCICES SUR GEOTHERMIE Exo N°1Une centrale d'énergie géothermique binaire utilise de l'eau géothermique à 160 ° C comme source de chaleur. Le cycle fonctionne selon le cycle de Rankine simple avec de l'isobutane en tant que fluide de travail. La chaleur est transférée au cycle par un échangeur de chaleur dans lequel l'eau géothermique liquide pénètre à 160 ° C à un débit de 555,9 kg/s et sort à 90 ° C. Isobutane pénètre dans la turbine à 3,25 MPa et 147 ° C à un débit de 305,6 kg / s, et sort à 79,5 ° C et 410 kPa. L'isobutane est condensée dans un condenseur refroidi par air et pompé à la pression de l'échangeur de chaleur. En supposant que la pompe pour avoir un rendement isentropique de 90 pour cent, déterminer (A) le rendement isentropique de la turbine, (B) la puissance nette de la centrale, (C) le rendement thermique du cycle. Figure 1 Exo N°2Le schéma d'une centrale géothermique est donné dans la figure 2. La ressource géothermique existe sous forme liquide saturé à 230 ° C. Le liquide géothermique est retiré du puits de production à un taux de 230 kg/s, et est détendu à une pression de 500 kPa par un processus essentiellement isenthalpique où la vapeur résultante est séparé du liquide dans un séparateur et est dirigé vers la turbine. La vapeur sort de la turbine à 10 kPa avec une teneur en humidité de 10 pour cent et entre dans le condenseur où elle est condensée et acheminée vers un puits de réinjection avec le liquide venant du séparateur. Déterminer: (A) le taux de vapeur d'eau du flux massique à travers la turbine, (B) le rendement isentropique de la turbine, (C) la puissance de sortie de la turbine, (D) le rendement thermique de l'installation (le rapport de la sortie de la turbine de travail de l'énergie du fluide géothermique par rapport aux conditions ambiantes standard). Réponses: (a) 38,2 kg / s, (b) 0,686, (c) de 15,4 MW, (d) 7,6 pour cent Figure 2 SOLUTION EXO N°1 Une énergie géothermique binaire fonctionne sur le cycle de Rankine simple avec de l'isobutane en tant que fluide de travail. Le rendement isentropique de la turbine, la puissance de sortie nette, et le rendement thermique du cycle sont à déterminer. Hypothèses une des conditions d'exploitation stables existent. 2 cinétique et les changements d'énergie potentielles sont négligeables. Propriétés La chaleur spécifique de l'eau géothermique est pris égale à 4,18 kJ / kg.ºC. Analyse (a) Nous avons besoin de propriétés de l'isobutane, Exo N°2Le schéma d'une centrale géothermique est donné dans la figure 2. La ressource géothermique existe sous forme liquide saturé à 516 K. Le liquide géothermique est retiré du puits de production à un taux de 230 kg/s, et est détendu à une pression de 600,36 kPa par un processus essentiellement isenthalpique où la vapeur résultante est séparé du liquide dans un séparateur et est dirigé vers la turbine. La vapeur sort de la turbine à 10,546 kPa avec une teneur en humidité de 10 pour cent et entre dans le condenseur où elle est condensée et acheminée vers un puits de réinjection avec le liquide venant du séparateur. Déterminer: (A) le taux de vapeur d'eau du flux massique à travers la turbine, (B) le rendement isentropique de la turbine, (C) la puissance de sortie de la turbine, (D) le rendement thermique de l'installation (le rapport de la sortie de la turbine de travail de l'énergie du fluide géothermique par rapport aux conditions ambiantes standard C'est-à-dire T0= 25°C et x0=0 ). Figure 2 EXO 2 : Une centrale géothermique unique-flash utilise de l'eau géothermique chaude à 230 ° C comme source de chaleur. Le débit massique de la vapeur à travers la turbine, le rendement isentropique de la turbine, la puissance de sortie de la turbine, et le rendement thermique de l'installation doivent être déterminées. Hypothèses une des conditions d'exploitation stables existent. 2 cinétique et les changements d'énergie potentielles sont négligeables. Analyse (a) Nous utilisons propriétés de l'eau pour l'eau géothermique Equilibre de phase liquide Vapeur de l’eau T p ρl ρv hL hv sL sv (K) (kPa) (kg · m–3) (kg · m–3) (kJ · kg–1) (kJ · kg–1) (kJ · kg–1 · K–1) (kJ · kg–1 · K–1) 516 3517,9 809,318 17,617 1051,20 2802,60 2,7281 6,1223 432 600,36 908,571 3,1705 670,479 2756,17 1,9311 6,7590 320 10,546 989,387 0,07166 uploads/Geographie/ chap-3-e-geothermique.pdf