La géothermie profonde EGS en Alsace aujourd hui. Module «Géothermie»

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Rémi Lefebvre
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1 La géothermie profonde EGS en Alsace aujourd hui Module «Géothermie» Jean Schmittbuhl EOST (UdS/CNRS) LabEx G-eau-thermie Profonde Chaire industrielle Géthermie Profonde 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 1

2 EOST: Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 2

3 Programme Exposé/débat (1h) La géothermie et l origine de la chaleur exploitée Les principes de la géothermie profonde La géothermie profonde EGS en Alsace aujourd hui: Le projet ECOGI Comment améliorer la maîtrise de la technologie et dépasser les craintes générées? Visite du site de Rittershoffen (ECOGI) (45min) Visite de la station sismologique SCHW (Schwabwiller) (15 min) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 3

4 Cartographie géothermale: un «vieil» héritage Hass & Hoffmann, C à 400 m de profondeur 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 4

5 Géothermie Qu est-ce que c est? 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 5

6 Définition «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) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 6

7 L origine de la chaleur exploitée 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 7

8 Le flux de chaleur interne de la Terre Continents: ~60 mw/m 2 Flux de chaleur interne moyen: 90 mw/m 2 = 0.09 W/m 2 Océans: ~95 mw/m 2 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 8

9 Le système sol-atmosphère-océan 30% (albedo) 342 W/m2 Géothermie 0.09 W/m2 Le flux de chaleur solaire moyen à la surface du globe: 342 W/m 2 ~ 4000x flux interne 0.09 W/m2 Grandes différences entre le flux reçu à l'équateur et aux pôles en France: ~150 W/m2 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 9

10 Bilan de l'énergie entrante dans le système sol-atmosphère-océan W (J/sec) Energie Solaire ,97% Flux géothermique % Dissipation des marées % Energie des volcans % Energie sismique % Production mondiale d Energie % (~9000 centrales nucléaires) (1 centrale nucléaire: ~ W) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 10

11 Origine du flux de chaleur interne Flux total = 46 TW Production de chaleur dans la lithosphère 7 TW Flux total du manteau = 39 TW Flux du noyau 8TW Production dans le manteau 13 TW Refroidissement du manteau 18 TW 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 11

12 Flux de chaleur en Europe Flux Moyen continental J.D. Van Wees et al, /04/2015 Conférence Musée du Pétrole 12

13 Flux de chaleur et géodynamique Influence de l arc alpin et la subduction aegénne Le fossé rhénan 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 13

14 > x3 La situation particulière du nord de l Alsace: > 300mW/m2 Flux moyen continental Points de mesure 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 14

15 La géothermie: exploitation de la chaleur de la Terre 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 15

16 Comment exploiter la chaleur de la Terre? Les différents types de géothermie Geothermie perspectives.fr 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 16

17 Les différentes technologies en géothermie Type de géothermie Très basse énergie Basse énergie (BT) Haute énergie (HT): Conventionnelle (HT C) Non Conventionnelle (HT NC) Caractéristiques du réservoir Nappe: Prof. < 100 m Température < à 30 C 30 C < Temp. < 150 C Prof: jusqu à 1500m (aquifère profond) 150 C < Temp. < 350 C HT NC: profondeur > 2000m (EGS) «Géothermie Profonde» Utilisations PAC: Chauffage et rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie Production d électricité et de chaleur ADEME.fr Technologie mature Technologie mature Technologie mature EGS: Technologie non mature 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 17

18 Les principes de la géothermie profonde 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 18

19 La géothermie haute température non conventionnelle - les principes (1) Concept 1: Hot Dry Rock (HDR) Forer 2 ou 3 puits pour accéder à la zone réservoir cible (T>200 C) Créer un aquifère en profondeur par fracturation dans le volume Faire circuler un fluide «artificiel» en boucle fermé Extraire la chaleur de la boucle géothermale par une boucle secondaire Produire de l électricité 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 19

20 Le contexte géologique (3): le fluide naturel Composition chimique représentative: saumure riche en Na-Cl, ph TDS 97 g/l et densité= g/cm 3 (20 C) Saumure ~3x l eau de mer concentration (g/l) Sanjuan et al., ,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Na 59,0 27,5 6,9 3,25 0,125 0,190 0,085 0,427 0,22 0,45 0,14 K Ca Mg Cl SO4 HCO3 SiO2 Br Sr Li species 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 20

21 Le contexte géologique (4): la température Temperature Logs Equilibrium 100 C/km Conduction GPK-2 GPK-3 GPK Grès du Trias 1500 Granite 2000 Paléozoique true vertical depth [m] Convection 10 C/km C/km Conduction [Soultz sous Forêts, GEIE EMC] Dezayes et al., 2004 temperature [ C] 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 21

22 Le transport de la chaleur CONVECTION Avec transport de la matière CONDUCTION Sans transport de la matière La glace Gradient géothermique g=dt/dz Loi de Fourier: / 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 22

23 La géothermie haute température EGS en Alsace HDR Concept 2: Enhanced Geothermal System (EGS) Forer 2 ou 3 puits pour accéder à la zone réservoir cible (T>200 C) Créer un aquifère en profondeur Utiliser les failles existantes par fracturation dans le volume et développer leur connectivité avec les puits Faire circuler un fluide «artificiel» Faire circuler le fluide naturel en boucle fermé dans une boucle semi-ouverte Extraire la chaleur de la boucle géothermale par une boucle secondaire Produire de l électricité selon tarifs + chaleur (co-génération) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 23

24 La stimulation hydraulique («hydro shear») 2 GPK ) Etat initial Faille préexistante Chargement tectonique k faible Cuenot et al., /04/2015 Conférence Musée du Pétrole 24

25 La centrale et les circulations Système de refroidissement Turbine Echangeur La boucle secondaire ORC 0m 1400m Pump Sediments GPK1 Granite GPK4 La boucle primaire géothermale 5000m GPK2 GPK3 EGS 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 25

26 La chaleur extraite C p Capacité thermique massique (eau: ~4200 J/Kg/K) Masse volumique (eau: ~1000 Kg/m 3 ) D Débit volumique (Soultz: 25l/s) T e Température de production (Soultz: ~160 C) T s Température d injection (Soultz: ~70 C) = E S = D C p (T e T s ) E Echangeur T e T s S e.g. Soultz ~ 9.5 MW th ~1 MW e P p pression de production (Soutlz: ~ 20 bars) P i pression d injection (Soultz: ~ 50 bars) Débit (D) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 26

27 Les grandes étapes d un projet Concept Sélection du site Forages Tests Construction Circulation Stimulation & test de la à long terme Centrale Abandon du site Fracture sur affleurement À l échelle de la concession Imagerie de puits Structure du nuage microsismique Exploitation de la centrale Démantèlement de la centrale Développement d un projet géothermique 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 27

28 La géothermie profonde EGS en Alsace aujourd hui: Le projet ECOGI 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 28

29 Roquettes Frères Amidonnerie (Beinheim) ~100 MWth Schéma de principe Rittershoffen Beinheim Caractéristiques techniques : 2 forages m Fonctionnement nominal h/an Température et débit cible 170 C - 250m 3 /h Boucle transport Puissance thermique cible ~15 km 24 MWth 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 29

30 Variabilité spatiale Soultz/Rittershoffen Beinheim (Société Roquette Frères) Soultz Rittershoffen Données GEORG ( 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 30

31 Les forages à Rittershoffen (GRT1/GRT2) GRT1: Forage début 26 Sept, 2012 Forage fin 24 Dec, 2012 Stimulation Juin 2013 GRT2 (dévié): Forage début 24 Mars 2014 Forage fin 15 Juil 2014 cible: 2500m Un succès: forte productivité Puits artésien T > 160 C GRT2: pas besoin de stimulation 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 31

32 La surveillance sismologique Station SCHW (Schabwiller) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 32

33 Déplacement vertical (1 journée) Signaux

34 Vitesse verticale (1 journée) Signaux

35 Signaux 27 juin 2013 RITT BETS 21h00 23h40

36 Signaux

37 Signaux

38 Signaux

39 P wave Signaux

40 Localisation de la sismicité Exemple d événement enregistré par le réseau autour de Rittershoffen

41 ECOGI en 2015 DNA, 8/04/15 Réalisation de la boucle secondaire eau (15km) 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 41

42 Soultz-sous-Forêts DNA, 25/03/15 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 42

43 Les permis HT en Alsace Groupe ES : Illkirch Graffenstaden (haute température) et Mittelhausbergen (basse température), Fonroche géothermie : Eckbolsheim, Robertsau, Reichstett/Vendenheim (haute température). 12/04/2015 Conférence Musée du Pétrole 43

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