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La géothermie, une énergie d’avenir pour la La géothermie, une énergie d’avenir

La géothermie, une énergie d’avenir pour la La géothermie, une énergie d’avenir pour la production d’électricité production d’électricité Philippe Burger, Ing. élec. EPFL Groupe spécialisé Géothermie de la Société pour les Techniques de l’Energie (ETG) d’Electrosuisse 02.02.06 Pourquoi la géothermie pour la production d’électricité? Quelles sources d‘énergie/quelles énergies seront encore disponibles dans 20 ans, dans 50 ans ? ? Comment couvrons-nous nos besoins en énergie sur le plan mondial ? Consommation mondiale d‘électricité • 2 milliards de personnes n’ont pas encore accès à l‘énergie électrique. • Elles utilisent la biomasse. • Croissance mondiale de la population: 1,3 % par an • Activités industrielles croissantes • Bien être croissant. 30-100 kWh 400-1000 kWh 3000-26000 kWh Consommation par habitant en 2003 Pays en voie de développement Pays en cours d’industrialisation Pays industrialisés Avenir: nos besoins en énergie 100 billion barrels Crude oil Natural gas Coal Nuclear Geothermal Solar Wind 1900 2000 2100 50 100 150 Milliards de barils de pétrole l Réserves mondiales d‘énergie • Vent, soleil ∞ • Force hydraulique: exploitable économiquement 0,7 TW utilisée aujourd’hui 0,3 TW • Uranium avec surgénérateurs 200 ans sans surgénérateurs 100 ans • Pétrole (selon consommation actuelle) 40 ans • Gaz naturel (selon consommation actuelle) 110 ans • Charbon (selon consommation actuelle) > 200 ans • Géothermie ∞ Consommation des énergies fossiles Energie fossile (mrd. tonnes SKE) Temps 1 tonne SKE = 1000 unité charbon = 7x106 kcal = 8’141 kWh Production d’électricité par les énergies renouvelables : l’offre et la demande Hiver Eté Force hydraulique Solaire photovoltaïque Energie éolienne Géothermie Problèmes de réglage et de transport de l’énergie électrique Hiver Eté Disponibilité Disponibilité Disponibilité Disponibilité Besoins Besoins Besoins Besoins L’énergie électrique ne peut pas être stockée! Géothermie de surface – géothermie de profondeur Profil de température de la terre 99 % de la masse terrestre est à plus de 1‘000 °C 99 % de la masse terrestre est à plus de 1‘000 °C Profil de température du globe Croûte terrestre La géothermie: l‘énergie en provenance de la terre Géothermie de surface Sondes géothermiques verticales • Environ 32’000 installations de ce type en Suisse: la plus haute densité mondiale par habitant. • La plupart des installations: 1 sonde géothermique de 150 ± 20 m, combinée avec une pompe à chaleur pour le chauffage d’une villa familiale neuve. • La géothermie fournit 70-75 % de l’énergie de chauffage. Fonctionnement de l’extraction de chaleur • Extraire la chaleur des roches et l’apporter à la surface : besoin d’un fluide caloporteur. • Si 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. Energie libérée par un bloc de granite de 1 km3 refroidi de 200 à 180°C : = 10 MW électriques pendant 20 ans, = Energie électrique de 10’000 habitants, = équivalent annuel de chauffage de 350’000 logements. Fonctionnement de l’extraction de chaleur • Réservoirs souterrains perméables (aquifères) : exploitation au moyen de forages. • Technologie actuelle du forage géothermique : cible de 50x50 m atteignable à la profondeur de 6 km. • Un forage géothermique dans un réservoir fortement productif fournit un potentiel élevé. 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 électriques. Conversion de l’énergie géothermique en électricité (1) Production d'électricité avec la vapeur géothermale sous pression. 180 – > 300 °C Production d'électricité à l'aide d'un fluide secondaire organique à bas point de vaporisation (isopentane, isobutane, etc.); centrale de type Organic Rankine Cycle (ORC). 100 – > 300 °C 0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 120 Débit de production (kg/s) 220° C 190° C 160° C 130° C 100° C Puissance électrique nette fournie par une centrale à fluide binaire, en fonction d’une température du réservoir et du débit de production. Conversion de l’énergie géothermique en électricité Turbine à vapeur Centrale ORC (Cycle Organique de Rankine) à fluide binaire • Fluide à bas point de vaporisation (ammoniac, isobutane, etc.) • Aucune émission dans l’atmosphère : 2 circuits fermés sous pression. • Efficacité de la conversion énergétique : 7 à 12%. • Coefficient d’utilisation : 95 à 98%. • Tous types de fluides et large gamme de température. Types de centrales géothermiques dans le monde Centrale ORC de Sao Miguel (8 MWe), Açores Centrale de Nesjavellir (60 MWe), Islande Centrale ORC de Puna (30 MWe), Hawaii Une des 23 centrales à vapeur sèche, Geysers, Californie Italie • L'Italie est le berceau de la géothermie industrielle: dès 1913, la production d'électricité a démarré en Toscane. • Les réservoirs géothermiques de Larderello et de Monte Amiata en Toscane exploitent de la vapeur sèche à plus de 250°C. • Les plus anciennes centrales ont produits de l’électricité pendant 40 ans avant rénovation. • Aujourd'hui, 60 centrales géothermiques standardisées et automatisées produisent près de 800 MW électriques. Ancienne centrale géothermique à Larderello Centrale géothermique moderne en Toscane Production d’électricité géothermique dans le Monde Au total, 50 millions d’habitants sont alimentés par de l’électricité géothermique En 2003, 9028 MWe installés dans 23 pays Une puissance de 1 MégaWatt électrique permet d’alimenter un peu plus de 1000 habitants en Suisse … et 9000 aux Philippines ! Systèmes géothermiques stimulés (HDR, HFR, EGS, DHM) • Entre 4 et 6 km de profondeur : température entre 180 à 200°C. • Injection d’eau froide sous forte pression : ouverture des fissures et création d’un échangeur de chaleur souterrain. • Forages de production : récupération du fluide réchauffé en profondeur. • Centrale géothermique : production d’électricité par un turbo-générateur. 1. Forage d’injection 2. Réservoir fracturé 3. Forage de production 4. Forage d’observation 5. Pompe de circulation 6. Echangeur de chaleur 7. Centrale électrique 8. Départ vers le réseau de chauffage à distance Principe de fonctionnement d’un système géothermique de type « Roches Chaudes Fracturées » Création de fractures ouvertes Fracture fermée préexistante : point faible de moindre résistance Injection hydraulique : Ouverture de la fracture. Un signal sismique enregistré : Localisation de l‘endroit Contrainte de cisaillement : déplacement latéral de la masse rocheuse. Après l‘injection, les parois de la fracture ne peuvent se recoller et la fracture reste ouverte. Ecoute sismique et localisation des fractures Géophone: récepteur sismique La localisation du signal sismique provoqué par l’ouverture des fractures peut être calculée au moyen des temps d‘arrivée différents aux récepteurs sismiques. La localisation du signal sismique provoqué par l’ouverture des fractures peut être calculée au moyen des temps d‘arrivée différents aux récepteurs sismiques. Zone de fracturation Forage d’écoute sismique Projets géothermiques de grande profondeur (EGS) Stromverbrauch je Einwohner Rosemanowes, UK Soultz-sous-Forêts, F Bâle, C Bad Urach, D Ogachi, J Hijiori, J Fenton Hill, USA Cooper Basin, Hunter Valley, AUS Projets arrêtés Projets en cours Potentiel pour l’électricité géothermique en Europe Ressources de type EGS Europe (Shell International) Refroidissement de 20°C de1 km3 de roche : • = 15'000 GWh thermiques • = 1'275'000 tonnes de fuel • = plus de 10 MWe d’énergie en ruban pendant 20 ans. Ressource disponible en Europe occidentale : • = 125'000 km2 avec une température >200°C à ~5000 m de profondeur • 125’000 km2 x 10% x 1 km d’épaisseur (ressource primaire) = 900 TWh/an • = production de l’énergie nucléaire en Europe (1995). Projet EGS européen de Soultz-sous-Forêts, Alsace • Programme européen pour la réalisation d’un système EGS basé sur un réservoir de granite fracturé à 5 km de profondeur et 200°C. • La technologie des EGS va permettre la réalisation d’une première centrale pilote de production d’électricité en 2006. Projet suisse DHM (Deep Heat Mining) • Projet initié en 1996. • Financement : OFEN, IWB, EBL, AET, Axpo, GVM, EWZ, Cantons BL et BS, GEL • En ville de Bâle, réalisation d’une installation géothermique en exploitant un réservoir de granite fracturé à 5 km de profondeur et 200°C. • En 2001: premier forage d’exploration de 2.7 km exécuté à Otterbach. • Dès mai 2006: premier forage à 5 km. • En 2008: première centrale géothermique pilote produisant électricité et chaleur. Caractéristiques d’une installation de type DHM Bâle Ouvrages souterrains • 2 forages d’exploration et de contrôle/écoute • 2 forages de production (2x 35 l/s) et 1 forage d’injection (70 l/s) à 5 km. • Réservoir: roche granitique fissurée et stimulée (200°C). Installations de surface • Centrale de production d’électricité de type ORC (3 MWe). • Système de raccordement au CAD (20 MWth). Production d’énergie pour 5000 ménages • 20 GWh/an d’électricité • 80 GWh/an de chaleur Le cycle Kalina – production de chaleur et de courant Chaleur à distance Réservoir géothermique Turbine Alternateur Échangeur de chaleur Eau chaude Eau de refroidissement Courant Cycle Kalina Fleuve (Rhin) Ammoniac/Eau Réservoir d‘eau Prix, coûts et durée de projet Analyse de sensibilité • Coût de l’électricité pour une petite installation variation de 12 à 24 ct/kWh. • Paramètres influençant le prix: coût des forages, durée de uploads/Geographie/ ge-other-mie.pdf