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UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE COMPIEGNE Mourad HAZI UTC - Département Génie des Pro

UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE COMPIEGNE Mourad HAZI UTC - Département Génie des Procédés Industriels Les énergies renouvelables Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels La géothermie La Terre est un réservoir à fort potentiel énergétique. On observe sur la totalité du globe une élévation de la température au fur et à mesure que l‘on fore vers le noyau terrestre, c’est le gradient géothermique. Les valeurs moyennes varient en fonction de la nature du sol et de la proximité d’une zone instable telle qu’une faille géologique, zone volcanique etc.… Origine de la chaleur : On considère qu’il existe deux phénomènes principaux expliquant l’origine de la chaleur rencontrée dans la croûte terrestre : •la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches constituant la croûte (90 % de l’énergie dissipée); •la dissipation de l’énergie dite « primitive », dissipation de l’énergie du noyau. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Gradient géothermal Le gradient géothermal G (K · m–1) mesure l’augmentation de la température en fonction de la profondeur La densité de flux de chaleur terrestre est la quantité de chaleur transmise par conduction puis dissipée par unité de surface et de temps (W · m– 2 ). Profils de température en fonction de la profondeur selon plusieurs valeurs du gradient géothermal Dans les régions géologiquement calmes, c’est-à-dire en général en dehors des frontières de plaques, l’énergie est essentiellement transmise par conduction, avec un gradient géothermal de valeur moyenne (3 K/100 m) À ce gradient correspond, pour l’ensemble de la planète (océans compris), une densité de flux de chaleur terrestre moyenne de 0,060 W · m– 2. Dans certaines régions, comme en France métropolitaine par exemple, on puisse observer des variations relativement importantes (2 K /100 m au pied des Pyrénées, 10 K /100 m au nord de l’Alsace). En France, la densité de flux de chaleur terrestre varie de 0,040 à 0,140 W · m– 2 avec une moyenne proche de 0,100 W · m– 2 Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Différents types de géothermie Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Applications de la géothermie d’après (Lindal) Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Principaux pays producteurs d’électricité géothermique Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Principaux pays producteurs d’énergie thermique géothermique Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels La ressource géothermique en France Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Aspects réglementaires Dans le droit français, le sous-sol appartient à l’État et les « gîtes géothermaux » sont considérés comme des « mines » et par ce fait soumis à la législation minière. Au titre du Code minier, le décret no 78.498 du 28 mars 1978 définit les différents types de gisements géothermaux, et leurs conditions de prospection et d’exploitation. La loi distingue ainsi les gisements dits à haute température ou à basse température selon que la température des fluides géothermaux mesurée en surface au cours des essais est supérieure ou inférieure à 150 °C. La législation minière traite les questions d’ordre juridique et technique qui fixent les conditions sous lesquelles se déroulent les diverses phases de la vie des opérations de géothermie : •attribution des titres miniers, leur renouvellement, leur retrait, etc ; •relations des explorateurs et exploitants avec les propriétaires de la surface ; •surveillance administrative des exploitations ; •règlements relatifs à la sécurité des personnes, à la protection des zones dangereuses. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Gisement géothermal Un gisement géothermal est constitué de trois éléments principaux : •une source de chaleur ; •une roche réservoir ; •un fluide. La source de chaleur peut être soit simplement le flux thermique terrestre local, soit une intrusion magmatique à très haute température (> 600 °C), relativement proche de la surface (moins de 5 km). Le réservoir est une formation rocheuse perméable, appelée aussi aquifère, dans laquelle doit circuler un fluide. La perméabilité peut être : •une perméabilité de pores (le fluide géothermal imprègne les pores de la roche dans lesquels il circule – cas du calcaire, du grès...) ; •une perméabilité de fractures ou de fissures (le fluide géothermal circule dans la roche fracturée ou fissurée – cas du granite par exemple). Le fluide se présente, selon la température et la pression dans le réservoir soit sous forme de vapeur, soit sous forme de liquide ou soit sous la forme d’un mélange des deux. Les fluides géothermaux sont le plus souvent des eaux dites « météoriques » (eau de pluie, généralement) qui ont pénétré et circulé dans la croûte terrestre et se sont réchauffées au contact des roches. Ils contiennent des éléments chimiques dissous (sels minéraux, gaz) acquis au cours de la circulation du fluide au contact de la roche réservoir. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Mise en œuvre des ressources géothermales Exploration L’évaluation des ressources passe par une phase de reconnaissance qui vise à délimiter les zones apparaissant a priori les plus favorables. Cette phase de reconnaissance préliminaire s’appuie, dans la mesure du possible, sur les données déjà disponibles, notamment celles qui ont pu être obtenues lors de forages de reconnaissance déjà réalisés dans le cadre de recherches géologiques, pétrolières ou d’eau. La géologie permet, dans la phase de reconnaissance, de définir le contexte géologique, la lithologie, la succession et l’âge des couches et les structures tectoniques. Les investigations hydrogéologiques permettent d’évaluer la ressource d’un point de vue quantitatif et qualitatif. Elles permettent également de caractériser les écoulements du fluide au sein de sa matrice réservoir. Les analyses géochimiques permettent de caractériser la composition chimique du fluide. L’analyse des éléments dissous permet également de fournir des indications sur le parcours du fluide. La géophysique consiste à enregistrer un certain nombre de données physiques relatives au sous-sol et à les interpréter en termes géologiques. Accès à la ressource En dehors des sources hydrothermales naturelles, l’accès à la ressource nécessite la réalisation de forages. Plusieurs méthodes sont utilisées. Elles dépendent d’une part du type de terrain à traverser et d’autre part de la profondeur à forer. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Paramètres caractérisant la ressource géothermale Porosité : rapport du volume des vides sur le volume total de la roche (variable : de 1 à 50 %). Elle renseigne sur le volume d’eau qu’est susceptible de contenir une roche, mais ne permet pas de connaître le volume qu’elle pourra libérer. Porosité de fissure. Porosité d’interstice Perméabilité : c’est une notion dynamique qui implique la présence d’eau. Elle représente l’aptitude que possède un milieu à se laisser traverser par un fluide sous l’effet d’une différence de pression. Elle s’exprime par le coefficient de perméabilité K (m s-1), Débit de fluide par unité de surface de roche traversée V : V = K dP /dx Les roches dont la perméabilité est supérieure à 10 – 4 m / s sont dites perméables, celles dont la perméabilité est inférieure à 10 – 9 m /s sont dites imperméables. Remarque : Une roche peut être poreuse mais imperméable Transmissivité : ce paramètre est égal au produit de la hauteur productrice h par la perméabilité moyenne sur cette hauteur. Elle s’exprime en m2/s. Ce paramètre est fondamental pour déterminer la productivité d’un aquifère Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Paramètres caractérisant la ressource géothermale Pression statique du gisement : La pression statique du gisement correspond à la pression de l’aquifère dans les conditions naturelles, sans pompage, ni réinjection. Si cette pression est positive, ce qui est souvent le cas, le puits sera artésien (l’eau jaillit naturellement). Sous l’effet du pompage on constate l’abaissement de la surface d’une nappe libre ou de la surface piézométrique. Ce phénomène est désigné sous le terme de rabattement Température : la température est fonction du gradient de température local. La température en tête de puits est toujours légèrement inférieure à celle du réservoir, selon la profondeur et le débit exploité. Caractéristiques physico-chimiques du fluide géothermal : le fluide géothermal peut contenir en solution, des sels et des gaz dissous. Ces composés sont soit sous forme ionique (Na+, Ca++, SO4– –...), soit sous forme moléculaire. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés Industriels Caractéristiques des aquifères superficiels En 1, la nappe est libre. En 2 elle est captive. En 3, elle est captive et artésienne Types de nappes Selon les conditions morphologiques et géologiques, une nappe d’eau souterraine peut être libre (système aquifère libre) ou captive (système aquifère captif). Dans le cas d’une nappe libre, le niveau piézométrique correspond à la limite entre la zone non saturée et la zone saturée en eau. Ce niveau varie essentiellement en fonction des fluctuations climatiques, notamment saisonnières. Lorsqu’un forage atteint une nappe captive, l’eau remonte dans le forage. Le niveau de l’eau stabilisé dans le forage représente le niveau piézométrique. Si le niveau piézométrique se situe au-dessus de la surface du sol, l’eau jaillit naturellement. On dit que le forage est artésien. Les énergies renouvelables UTC / Génie des Procédés uploads/Geographie/ cours-enr3-a-pdf.pdf