Module «Géothermie» 3A/M2. Module «Géothermie» Jean Schmittbuhl, DR CNRS, IPGS Responsable du Labex G-eau-thermie Profonde

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1 Module «Géothermie» 3A/M2 Module «Géothermie» Jean Schmittbuhl, DR CNRS, IPGS Responsable du Labex G-eau-thermie Profonde

2 7 intervenants J. Schmittbuhl, DR CNRS, Responsable Labex G-eauthermie Profonde, géophysicien, sismologue A. Genter, Directeur-adjoint ES Géothermie, Directeur Scientifique du GEIE, Soultz N. Cuenot, Ingénieur GEIE, sismologue sécurité B. Imbs, Ingénieur ES Géothermie C. Baujard, Ingénieur ES Géothermie V. Magnenet, MCF ICUBE, mécanicien, modélisateur M. Heap, MCF EOST, physicien des roches

3 Calendrier 02/10/2015Vendredi 10h15-12h15 TD1 J. Schmittbuhl Introduction 07/10/2015Mercredi 8h-18h Soultz J. Schmittbuhl/A. Genter Journée Soultz/Rittershoffen 09/10/2015Vendredi 10h15-12h15 TD1 J. Schmittbuhl Thermique (1) 16/10/2015Vendredi 10h15-12h15 TD1 J. Schmittbuhl Thermique (2) 23/10/2015Vendredi 14h-16h TD1 M. Heap Thermo-fracturation 05/11/2015Jeudi 10h15-12h15 TD1 B. Imbs Aspects réglementaires et gestion de projet 09/11/2015Vendredi 16h15-18h15 TD1 C. Baujard Logs et de tests de pompage 12/11/2015Jeudi 10h15-12h15 TD1 N. Cuenot Réseau de surveillance de la sismicité induite à Soultz (Cours) 12/11/2015Jeudi 16h15-18h15 TD1 N. Cuenot 18/11/2015Mercredi 10h15-12h15 TD1 A. Genter 25/11/2015Mardi 16h15-18h15 TD1 A. Genter 08/12/2015Mardi 8h-10h TD1 J. Vidal 16/12/2015Mercredi 16h15-18h15 TD1 V. Magnenet Réseau de surveillance de la sismicité induite à Soultz (TD) Méthodes géologiques d exploration en géothermie (1) Méthodes géologiques d exploration en géothermie (2) La géothermie profonde dans le fossé rhénan Modèle THM de réservoir (cours) 06/01/2016Mercredi 16h15-18h15 TD1 V. Magnenet Modèle THM de réservoir (TD) 14/01/2016Jeudi 14h-16h TD1 Examen

4 Journée du 7 novembre 2015 Module «Géothermie» 3A/M2 EOST PROGRAMME prévisionnel 8h00 9h00 11H00 Départ EOST 5 Rue René Descartes Visite musée du Pétrole, Kutzenhausen Arrivée GEIE à KUTZENHAUSEN (Bureaux GPK1) 11h-13h Le projet de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêts par Albert Genter et Nicolas Cuenot 13h-14h Pause (apporter pique-nique) 14h-15h Le projet ECOGI : le premier forage géothermique à Rittershoffen et l avenir de Soultz par Guerric Villadangos 15h-16h Chemical stimulation in EGS reservoirs par Julia Scheiber 16h00-16h30 Visite de la plateforme géothermique GPK2/GPK3/GPK4 16h30-17h 17h-18h Visite du site de forage de Rittershoffen Retour à l EOST Liste des participants

5 Modalité d examen Un examen final Commun à tous les intervenants Semaine d examen

6 Web Le site Labex : Rubrique: formation Accès aux documents de cours login: etudiant - pwd: etudiantlabex

7 Module de «Géothermie» Introduction

8 Définition La géothermie «La géothermie, du grec géo (la terre) et thermie (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par extension, la géothermie désigne aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie de la Terre qui est convertie en chaleur.» (Wikipedia) La géothermie:?

9 Exploitation de la chaleur Les différents types de géothermie Geothermie-perspectives.fr

10 Points forts/points faibles Points forts Energie renouvelable Energie de base Potentiel important Faible occupation foncière Impacts limités Energie locale Source d emploi local Coûts de fonctionnement réduits, stables Points faibles Investissement conséquent Risque géologique (couverture) Délais (haute énergie)

11 [Bertani, WGC 2015]

12 [Bertani, WGC 2015]

13 Les différents types de géothermie Type de géothermie Caractéristiques du réservoir Utilisations Très basse énergie Nappe à moins de 100 m Température < à 30 C Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur Basse énergie 30 C < Température < 150 C Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie utilisation directe Moyenne et Haute énergie (géothermie profonde) Conventionnelle/non conventionnelle (EGS) 150 C < Température < 350 C Production d électricité et de chaleur ADEME.fr

14 Géothermie très basse énergie La géothermie très basse énergie Elle permet le chauffage, le rafraîchissement de locaux ou la production d eau chaude. La production de chaleur s effectue à l aide de pompe à chaleur (PAC), multiplicateur de calories. Importance de la technologie de surface Sous ce terme «pompe à chaleur», on regroupe plusieurs systèmes thermodynamiques, qui se différencient par : - la nature de la source de chaleur (air, eau, ou sol), - le vecteur d émission de chaleur (air ou eau). On parle ainsi de PAC sol/sol, sol/eau ou eau glycolée/eau. Pour permettre le rafraîchissement, il faut une PAC réversible.

15 Géothermie très basse énergie Géosolaire Géothermique

16 Principe de la PAC La performance énergétique de chaque installation se caractérise par le coefficient de performance (COP) : COP = quantité de chaleur fournie / énergie consommée par le compresseur et les auxiliaires. Ce coefficient ne dépend pas que du matériel. Il peut varier considérablement si les conditions d utilisation ne sont pas optimales. L échelle de valeur de COP s étend aujourd hui de 1,5 à 4,5. Autrement dit : avec 1 kwh électrique consommé, on produit de 1,5 à 4,5 kwh thermique.

17 Basse énergie Les différents types de géothermie Type de géothermie Caractéristiques du réservoir Utilisations Très basse énergie Nappe à moins de 100 m Température < à 30 C Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur Basse énergie 30 C < Température < 150 C Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie Moyenne et Haute énergie (géothermie profonde) Conventionnelle/non conventionnelle (EGS) 150 C < Température < 350 C Production d électricité et de chaleur ADEME.fr

18 Géothermie basse énergie L utilisation directe de la chaleur (basse et très basse énergie) : On estime que près de MWth (mégawatt thermiques) sont installés dans le monde, à peu près à parts égales entre l Amérique, l Asie et l Europe. Pour la géothermie basse énergie, la température des nappes est comprise entre 30 et 150 C. Environ 55 pays les exploitent aujourd hui pour la production de chaleur. Cette exploitation est en pleine expansion puisqu ils n étaient qu une trentaine de pays en 1995.

19 Le bassin de Paris

20 L oolithe du Dogger Carrière de Massangis. Cette carrière bourguignonne exploite l oolithe blanche. Ce faciès oolithique observé à l affleurement est équivalent au faciès du principal aquifère du Dogger du bassin de Paris (Massangis, 2011). BRGM - Christophe Rigollet Lame mince réalisée dans une carotte d un réservoir du Dogger, prélevée au coeur du bassin de Paris, à mètres de profondeur. Ce faciès est composé d oolithes. BRGM - Christophe Rigollet

21 37 doublets en activité 6 triplets en activité

22 Basin Parisien: Dogger (jurassique moyen) years operating (since 1969) 112 wells drilled and > 65 in activity Temperature: 70 to 85 C High flowrate: to 350 m 3 /h Drilling depth: near 2 km

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24 LA GÉOTHERMIE EN ÎLE DE FRANCE équivalent logements chauffés par géothermie MWh/an, soit Tep Environ tonnes de CO2 économisées chaque année Taux de disponibilité : 95% COP moyen = 20, jusqu à 37 pour les puits artésiens Source : ADEME délégation régionale Île de France 2005

25 Géothermie basse température en Europe C. Boissavy, AFPG

26 Les différents types de géothermie Type de géothermie Caractéristiques du réservoir Utilisations Très basse énergie Nappe à moins de 100 m Température < à 30 C Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur Basse énergie 30 C < Température < 150 C Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie Moyenne et Haute énergie (géothermie profonde) Conventionnelle/non conventionnelle (EGS) 150 C < Température < 350 C Production d électricité et de chaleur (Conventionnelle: > 250 C Non conventionnelle: C) ADEME.fr

27 La production d électricité (moyenne et haute énergie) La géothermie haute énergie est aujourd hui exploitée dans le monde à hauteur de près de MWe (mégawatt électriques installés) en 2015, dont 40 % en Amérique et 30 % en Asie. Plus de 20 pays produisent aujourd hui une partie de leur courant électrique à partir de gisements aquifères dont les températures sont comprises entre 180 et 350 C. Une centrale nucléaire est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la puissance électrique varie de quelques mégawatts à environ mégawatts (pour les réacteurs actuellement en service). En 2009, 439 réacteurs fonctionnent dans 31 pays différents dans le monde, dont 58 réacteurs en France, soit un total de 370 gigawatts produisant environ 14 % de l'électricité mondiale

28 Géothermie haute énérgie conventionnelle (région volcanique) Unités Bouillante 1 (4 MWe) et Bouillante 2 (11 MWe) soit au total : 15 MWe Boullante I 11 MWe Boullante II

29 Larderello, Toscane, Italie La centrale géothermique de Larderello, en Italie, est située sur un champ géothermique exceptionnel. D une puissance de 810 MW, elle fournit de l électricité à un million de foyers italiens. ENEL

30 Larderello Champ géothermique à vapeur dominante: Température entre 150 et 260 C, Pression 2-15 bars (jusqu'à 70 bars). intrusions granitiques récentes la construction d une centrale expérimentale de 20 kw en Le gaz est formé par 90% de CO 2, avec de faibles quantités de H 2 S, CH 4, H 2, N 2, H 3 BO 3 et NH 4. Le débit des puits est en moyenne de 25 tonnes/heure de vapeur, (max: 350 t/h.)

31 Nouvelle Zélande (Taupo) o TVZ: Taupo Volcanic Zone

32 Taupo (NZ) 112 MW MW 100 MW 82 MW Contact: 5 geothermal power stations 431 MW Total NZ: ~1000 MWe

33 Taupo (NV)

34 Taupo (NZ) o Réalisé en 2013 (7 puits)

35 Les différents types de géothermie Type de géothermie Caractéristiques du réservoir Utilisations Très basse énergie Nappe à moins de 100 m Température < à 30 C Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur Basse énergie 30 C < Température < 150 C Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie Moyenne et Haute énergie (géothermie profonde) Conventionnelle/ non conventionnelle (EGS) 150 C < Température < 350 C Production d électricité et de chaleur ADEME.fr

36 Le site EGS de Soultz-sous- Forêts (GEIE) Visite du 6/11/14 La géothermie haute température non conventionnelle 4 Forages profonds : 200 ο 5 km de profondeur 1 ère centrale électrique géothermique en France métropolitaine (production depuis 2011) Centrale binaire de type ORC (Organic Rankine Cycle) équipée avec une turbine de 1,5 MWe Tests de pompe de production : Long Shaft Pump (LSP) GPK1 GPK2 Pump Sediments Granite GPK4 GPK3 Réservoir: massif granitique fracturé stimulé (EGS)

37 L apport des études pétrolières dans la couverture sédimentaire

38 Reservoir: grès/granite 38

39 Un projet long et complexe

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41 Les chantiers en Alsace Conception Reconnaissa nce - Permis Exploration Forages Tests stimulation Exploitation Démantèle ment Des grands chantiers à différentes phases: GEIE Exploitation Minière de la Chaleur Soultz-sous-Forêts Pilote scientifique Production d électricité (1.5 MW) Phase Exploitation ECOGI Rittershoffen Projet industriel (Roquette Frères) Production de chaleur (24 MW) Phase Forages AMI Wissembourg (?) Projet industriel (ES) Production d électricité (3 MW) et de chaleur (20 MW) Phase Permis Lauterbourg, Illkirch Projet industriels Phase Conception

42 Différents projets en Alsace Wissembour g project (COGEWI) Rittershoffen project (ECOGI) Soultz-sous-Fôrets project (GEIE PMC) Illkirch projects 42

43 Investissements : 44 M Soutien ADEME : 25 M Apport des associés : 19 M Début de la production : 2014 Exploitation prévue sur : 20 ans 2 forages : m Fonctionnement nominal : h/an Température : 170 C Boucle transport : 15 km Puissance délivrée entrée usine : 24 MWth (70l/s 160 C) Projet ECOGI Rittershoffen/Beinheim

44 Rittershoffen project (ECOGI) GRT1: Drilling start Sept 26th, 2012 Drilling end Dec, 24th, 2012 Stimulation June 2013 GRT2: Drilling start March 24th, 2014 Drilling end mid-june 2014 target: 2500m 12/05/ th Euroconference - Aussois 44

45 A very competitive permitting 12/05/ th Euroconference - Aussois 45

46 Projets EGS récents dans le Fossé Rhénan En Allemagne, Landau, 2 puits, 3300 m, 150 C, 70l/s, 3MWe + chaleur Insheim, 2 puits, 3700 m Micro-sismicité induite Pendant circulation En France, Dans le Nord de l Alsace, la société Roquette, ES-G 1 et la Caisse des dépôts et consignation vont lancer un projet géothermique situé à 10 km vers l Est du site de Soultz (Rittershoffen-Hatten). L objectif est de produire de la chaleur, utilisée pour sécher des céréales, à partir d un forage d environ 2.5 km de profondeur. La température attendue est de 170 C Des compagnies pétrolières commencent également à prospecter pour de l exploration géothermique. En Europe, GEISER projet R&D Européen sur la compréhension des mécanismes physiques de la micro-sismicité induite consécutive aux stimulations et étude des risques associés (GFZ, ETHZ, BRGM, TNO, ISOR, EOST, NORSAR, Statoil, Armines,.) 46 1 ES-G: Electricité de Strasbourg-Géothermie

47 Des questions encore ouvertes Environnement Technologie Bruit, Vibration, Radioactivité naturelle Impact visuel Réservoir Corrosion/scaling Pompes submersibles Activité micro-sismique Ré-injection à basse pression Améliorer la production des puits

48 Labex «G-eau-thermie Profonde» Un projet R&D long terme (8 ans) 3 partenaires alsaciens (une logique de site) EOST/IMFS (UdS/CNRS) : Académique (un «nouveau» partenariat interne: géosciences/mécanique/génie civil) GEIE EMC «Soultz» : Académique/Industrie (une longue histoire depuis 1987) Groupe ES (ES/ESG) : Industriel (une nouvelle filiale ESG) Des chantiers: Soultz-sous-Forêts (GEIE EMC), Rittershoffen (ECOGI), Wissembourg (AMI COGEOP), etc Des collaborations renforcées : BRGM (Division de géothermie) / KIT (Chaire de géothermie) LabEx G-EAU-THERMIE PROFONDE - Jean Schmittbuhl 48

49 Le projet WP1: Exploration des ressources géothermales profondes WP2: Comportement des réservoirs géothermiques naturels WP3: Exploitation d un réservoir géothermique WP4: Observatoire du champ géothermique

50 50 WP1 Exploration Soultz Horst Transverse Seismic line Geothermal target is a deep crystalline rock

51 250 stations sismolgiques EstOF-250

52 WP2: Fonctionnement hydro-thermal naturel 52

53 WP3 Stimulation Presure GPK2, 2000 µseismic events M>1 GPK3, 2003 µseismic events M>1 Cuenot et al., 2008 Time Dorbath et al.,

54 54 WP 3 microsismicité Several thousands of microseismic events during each stimulation test Several felt earthquakes (M > 2) Maximum magnitudes : : 2.9, : : 2.6

55 WP3 Reservoir modeling - Transition zone (basement/cover) - Regional faults - Permeability contrast and basin geometry [ Clauser & Villinger, 1990] [Guillou-Frottier et al, 2013] [ Kohl et al, 2000] 12/05/ th Euroconference - Aussois 55

56 Permeability influence Onset of convection 12/05/ th Euroconference - Aussois 56

57 WP3 Modeling example Morphology of fractures? Effect of the morphology of fractures on the Hydraulic flow? Heat exchange between fluid and rock?. z x y Fluid injection (P 0,T 0 ) T r =200 C Fluid pumping (P L,T f? ) Scale: individual fracture

58 WP 3 Stimulation chimique Injectivity/Productivity index [l/(s*bar)] Natural Injectivity / Productivity Hydraulic Stimulation HCl RMA NTA OCA Nami et al., 2008 GPK2 GPK3 0 4% 20% GPK2 GPK3 GPK4 76% 8% 8% 32% 53% 27% 13% 8% 2% 50% GPK4 GPK2 GPK3 GPK4 Difficulté pour généraliser les résultats Dorbath et al., 2009

59 59 WP 4 Obervatory Similar chemical characteristics of the native reservoir brine discharged from GPK1, GPK2, GPK3 and GPK4 at depths > 3,500 m Representative chemical composition: Na-Cl brine, ph TDS 97 g/l and density = g/cm 3 (20 C) 60,0 59,0 concentration (g/l) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Na 27,5 6,9 3,25 0,125 K Ca Mg Cl 0,190 0,085 0,427 0,22 0,45 0,14 SO4 HCO3 SiO2 Br Sr Li Sanjuan et al., 2008 species

60 InSAR monotoring - a new input for reservoir modeling Landau, [Heimlich et al, 2014] 12/05/ th Euroconference - Aussois 60