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REPUBLIQUE DU SENEGAL UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR ECOLE SUPERIEllRE PO

REPUBLIQUE DU SENEGAL UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR ECOLE SUPERIEllRE POLYTECHNIQUE CENTRE DE THIES DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE, OPTION ELECTROMECANIQUE ETUDE DE LA GEOllHERMIE ET PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQ"UE Projet de Fin d'Etudes En vu de l'obtention du Diplôme d'ingénieur de conception en Génie Mécanique, Option Electromécanique • 1 Juillet 2004 Présenté par : Moustapha NDIAYE Directeur interne: Monsieur Pape Mody NDIAYE 1 DEDICACES Je dédie ce travail particulièrement: A mon regretté papa, qui m'a toujours encouragé et m'a inculqué le culte de la rigueur et de la persévérance. A ma mère, pour ses prières et ses encouragements. A toute ma famille qui m'est chère. A tout mes amis II 1 SOMMAIRE Le but de ce travail consistait à étudier la géothermie et production d'énergie électrique. La difficulté, qui a rendu le projet vaste, fut l'obligation d'une progression dans un environnement indéterminé où toutes les données devaient être recherchées sur le terrain. En premier lieu on a essayé d'étudier la géothermie, en second lieu on a essayé de mettre sur place la technologie qu'il faut pour extraire et convertir cette chaleur en énergie électrique; et en dernier lieu on a fait une étude globale concernant la température dans le sous-sol. Cette étude a pu ainsi confirmer que la production d'énergie électrique à partir de la géothermie est possible dans toutes les régions du monde et que la profondeur des forages dépend du gradient géothermique de cette région. Dans certaines localités du Sénégal (M'Bourouk ; Popoguine et Dakar) il faudra creuser au environ de 4000 mètres de profondeur dans le sous-sol pour pouvoir produire de l'électricité. Mot clés : turbine - alternateur - échangeur de chaleur - source thermale - gradient géothermique - logiciel Metamod. III 1 REMERCIEMENTS J'adresse mes sincères remerciements à tout ceux qui ont contribué à la réalisation de ce travail : Monsieur Pape Mody Ndiaye, professeurrattaché au Département de Génie Mécanique, pour avoir bien voulu me proposer un sujet de fin d'études enrichissant d'expérience et pour avoir fait preuve d'un total engagement dans son rôle d'encadreur interne du projet. Monsieur Chor Wone, chef de Département Géologie pétrole du Sénégal ( PETROSEN), pour sa grande disponibilité et ses utiles documentations qui ont grandement facilité ce travail. Monsieur Christian Nicollet, professeur à l'université Blaise Pascal au Département de Géologie pour avoir mis à ma disposition le logiciel Métamod. Enfin, je tiens à remercier, tous ceux qui, de près ou de loin, ont participé à la réalisation de ce travail de fin d'études. IV 1 TABLE DES MATIERES LISTE DES ANNEXES VIII LISTE DES TABLEAUX · .IX LISTE DES SYMBOLES ET DES ABREVIATIONS XI . INTRODUCTION 1 CHAPITRE 1 : L'ENERGIE GEOTHERMIQUE .4 1) La géothermie basse enthalpie 6 II) La géothermie haute enthalpie 6 CHAPITRE II : EXTRACTION DE LA CHALEUR DU SOUS-SOL ET PRODUCTION D'ELECTRICITE 8 1) En géothermie basse enthalpie 8 II) En géothermie haute enthalpie 8 III) Principaux types de ressources géothermiques 8 IV) P d . d' r l .., 9 ro uction e ectncrte .. 1) Avec réservoir de vapeur 9 2) Avec réservoir d'eau chaude 10 3) Avec les gisements de roches chaudes sèches .12 v CHAPITRE III : TEMPERATURE DANS LA LITHOSPHERE .15 1) Equation fondamentale de la transmission de chaleur 15 II) L'équation de la propagation de la chaleur dans le globe terrestre 17 1) Dans les zones stables de la lithosphère 18 2) Dans les zones instables de la lithosphère 19 3) Mesure de la conductivité thermique d'une roche .19 III) Le logiciel Metamod 23 111-1) La fenêtre principale du programme 24 111-1-1) Le premier cadre "paramètres" 25 111-1-2) Le cadre "calcul" 25 111-1-3) Le cadre "graphe" 26 111-1-4) Les séries de bouton 27 111-2) Menu fichier. 27 111-3) La fenêtre du diagramme Z-T 29 111-3-1) La fenêtre intitulée coordonnée 29 111-3-2) La fenêtre "Graphe" 29 CHAPITRE IV: COÛT DE L'ELECTRICITE GEOTHERMIQUE.........36 CONCLUSION ET REC ONIMANDATIONS 39 BIBLIOGRAPHIE .41 VI 1 ANNEXES 42 VII LISTE DES ANNEXES Annexe 1 : Exemples de graphiques tracés avec le logiciel METAMOD .42 Annexe 2 : Quelques centrales géothermiques 55 Annexe 3 : Production d'électricité géothermique dans le monde en 2000 61 Annexe 4 : Le gradient géothermique dans quelques localités du Sénégal 63 VIII 1 LISTE DES TABLEAUX Tableau IV-l : Les coûts 36 Tableau annexe IV-l : gradient de température dans certaines localités du Sénégal 65 Tableau annexe IV-2 : Puits effectués au Sénégal. 66 Tableau annexe IV-3 : Température au fond des puits de 4000m de profondeur dans quelques localités au Sénégal 70 IX 1 LISTE DES FIGURES Figure 1-1 : Source thermale 5 Figure 11-1 : Production d'électricité avec réservoir de vapeur l0 Figure 11-2 : Production d'électricité avec réservoir d'eau chaude ll Figure 11-3 : Production d'électricité avec les gisements de roches chaudes sèches 12 Figure 111-1 : Fenêtre principale du programme 24 Figure 111-2 : Les fonctions du menu fichier 28 Figure 111-3 : Fenêtre coordonnées 29 Figure 111-4 : Menu fichier. 30 Figure 111-5 : Menu option 31 Figure 111-6 : Menu flottant. 32 x LISTE DES SYNIBOLES ET DES ABREVIATIONS P = Pression T = Température t= Temps dS = Elément de surface S = Surface Q = Qantité de chaleur (en joule) K = coefficient de conductivité (w/m ok) gradT = Gradient de la température (X, Y,Z) = Coordonnées de l'espace Z = Profondeur Zo = Profondeur initialement choisie u = Vitesse V=Volume A = source de chaleur K = Kappa = diffusivité thermique (en m2/s) p (Rho) =-= masse volumique (en kg/rn") Cp = Capacité thermique (en j/kg ok) V' = Gradient ~ = L'opérateur laplacien Qo = Flux de chaleur à la surface du sol (en w/m") XI T, = Température initialement choisie K, = Conductivité thermique du cuivre (w/m ok) Kr = Conductivité thermique de la roche (w/m ok) Ki = Conductivité thermique de l'interface machine/échantillon (w/m ok) Teh = Température de l'eau chaude Tfr = Température de l'eau froide Tl = Température de la face du bloc de cuivre situé au-dessus de l'échantillon et en regard avec la roche. T2 = Température de la face du boe de cuivre situé en dessous de l'échantillon et en regard avec la roche. Tl' = Température de la face supérieure de l'échantillon. T2' = Température de la face inférieure de l'échantillon. a = Gradient géothermique initiale dans la fenêtre principale du logiciel Metamod Kb = kilo bar Ma = Million d'années g = Accélération de la pesanteur (m/s2) t max = Temps maximale t min = Temps minimale Z max = Profondeur maximale Z min = Profondeur minimale T max = Température maximale XII T min = Température minimale Oc = degré Celsius o R C = Organic Rankine Cycle Centrale 0 R C = centrale à fluide binaire XIII Ecole Supérieure Polytechnique_ESP Centre de Thiès Département Génie Mécanique Option électromécanique 1 INTRODUCTION Projet de fin d'Etudes (2003-2004) Moustapha NDlAYE Ecole Supérieure Polytechnique_ESP Centre de Thiès INTRODUCTION Département Génie Mécanique Option électromécanique Pendant des milliers d'années et sur tous les continents, des populations ont profité de la chaleur émise à la surface de la terre grâce aux sources thermales et aux fumerolles. Ensuite dès le vingtième siècle le développement de la technologie de forage a permis de capter de manière efficace d'abondantes ressources d'eau chaude et de vapeur dans des réservoirs naturels plus ou moins profonds. Utilisée dans près de soixante pays, l'énergie géothermique est aujourd'hui une ressource .possédant des avantages environnementaux et économique reconnus sur les énergies fossile et nucléaire. L'électricité générée à partir des fluides géothermiques produit une énergie non polluante et sans déchets dans l'atmosphère. De même l'utilisation des eaux géothermales permet de chauffer sans émission de gaz carbonique des groupes de serre ou de produits industriels. Finalement les ressources géothermiques de très basse température peuvent fournir le chaud à des fins particuliers. Actuellement, seule une infime fraction des ressources géothermiques mondiale est utilisée. Certaines améliorations technologiques et une meilleure reconnaissance de la vraie valeur de la géothermie pourraient conduire à un fort développement de cette énergie propre et fiable pour la majorité des pays du monde. Ce rapport porte sur la production d'énergie électrique en utilisant comme source de chaleur l'énergie géothermique. En ce qui concerne la méthodologie utilisée dans ce travail il s'agira de voir: • D'où provient la chaleur terrestre. • Les technologies utilisées pour extraire cette chaleur et produire de l'électricité. • Comment varie la température au niveau de l'écorce terrestre. • La simulation de la variation de la température en fonction de la profondeur des roches avec le logiciel Metamod. • Recommandations 1 Projet de fin d'Etudes (2003-2004) Moustapha NDlAYE 2 Ecole Supérieure Polytechnique_ESP Centre de Thiès Département Génie Mécanique Option électromécanique 1 CHAPITRE 1 Projet de fin d'Etudes (2003-2004) Moustapha NDlAYE 3 Ecole Supérieure Polytechnique_ESP Centre de Thiès . Département Génie Mécanique Option électromécanique CHAPITRE 1: L'ENERGIE GEOTHERMIQUE Au centre de la terre règne une chaleur dont l'ordre de température varie entre 4000°c et 5000 oc, et cette chaleur arrive lentement par le manteau jusqu'à l'écorce uploads/Geographie/ geothermie.pdf