La géothermie: ou comment utiliser les «chauds-froids» de la Terre sans s enrhumer

Transcription

1 Cours de géologie de l environnement Prof. A. Parriaux La géothermie: ou comment utiliser les «chauds-froids» de la Terre sans s enrhumer

2 Table des matières - Bases géologiques de la géothermie - Principaux concepts d exploitation - Potentiel d énergie urbaine

3 Bases géologiques de la géothermie

4 La vie sur la Terre entre l energie exogène et endogène Soleil Terre

5 Origines du corps fondu de la Terre bombardement primitif - radioactivité naturelle

6 Manifestations terrestres: le volcanisme

7 Geysers et volcans de boue Black smokers sous-marins

8 Tectonique des plaques et volcanisme

9 Principaux flux géothermiques

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11 Le gradient géothermique global

12 Le gradient géothermique sur le Plateau Suisse en moyenne 30 C/km

13 Températures moyennes des venues d eau en tunnel

14 Le gradient géothermique sous les Alpes Température et relief du tunnel du Simplon

15 Géothermie et eaux souterraines: les manifestations Fumeroles vapeur d eau et soufre Vapeur d eau HP

16 Géothermie et eaux souterraines: les mécanismes

17 Les sources thermales en Suisse

18 Principaux concepts d exploitation

19 Une énergie d avenir à visage multiple Les illustrations de ce chapitre sont empruntées à M. Jules Wilhelm, Ing.-conseil, Centre romand pour la promotion de la géothermie

20 Méthodes d exploitation en Suisse Systèmes d exploitation «conventionnels» : usage courant Profondeur entre 0 et 3000 mètres Profondeur (mètres) Captage de sources d eaux chaudes en surface Échangeur enterré 0,5-2,5 Prélèvement dans une nappe phréatique 1-30 Géostructures énergétiques 5-40 Sondes et champs de sondes géothermiques Eaux captées par les tunnels > 500 Nappes d eau profondes Sondes profondes Systèmes géothermiques stimulés : en cours de développement Profondeur entre 3000 et 7000 mètres

21 Possibilités d utilisation Chauffage - Espaces de séjour et de travail. (habitat, école, bureau, hôpital, etc.) - Piscines, thermalisme. - Serres agricoles. - Piscicultures. - Chaussées routières et aéroportuaires. - Tabliers de ponts. Refroidissement - Espaces de séjour et de travail. Séchage - Applications dans l agriculture et l industrie. Production d électricité

22 Installations «conventionnelles»

23 Sondes et champs de sondes Les sondes géothermiques sont constituées d un réseau de tubes en U placées dans un forage vertical. Le fluide circulant dans les tubes amène la chaleur du sol vers l installation de chauffage équipée d une pompe à chaleur. Champs de 40 sondes géothermiques du nouveau complexe administratif de la CNA à Root, Lucerne. Puissance de chauffe 950 kw, puissance de refroidissement 760 kw.

24 Géostructures énergétiques Géostructures en béton, pouvant être équipées en échangeur de chaleur : Pieux et rideaux de pieux Parois moulées ou préfabriquées, posées dans le sol Radiers de fondation Tout ouvrage en contact avec le sol L échangeur de chaleur est constitué d un réseau de tubes noyés dans la géostructure. La chaleur récupérée en profondeur est amené par le fluide caloporteur vers une pompe à chaleur. Principe identique à une sonde.

25 Eaux des tunnels Les eaux chaudes souterraines drainées par les tunnels apportent de l énergie de chauffage utilisable près des portails. Le potentiel calorifique exploitable des tunnels suisses existant et en construction avoisine les 100 MWth. Depuis 1992, près de 200 appartements de la commune d Oberwald, en Valais, ont été pourvus d un système de chauffage utilisant l énergie des eaux du tunnel ferroviaire de la Furka. Débit d eau : 90 l/s, température 16 C.

26 Systèmes géothermiques stimulés

27 Principe d une installation SGS Entre 4 à 6 km de profondeur, il n y a pratiquement plus d eau dans les roches, par contre leur température atteint 180 à 200 C. L injection d eau froide sous forte pression ouvre des fissures, créant ainsi un réservoir exploitable. Les forages de production permettent d amener le fluide réchauffé en profondeur vers un échangeur en surface. Un turbogénérateur produit de l électricité au moyen de la chaleur transmise par l échangeur. Le fluide refroidi du circuit primaire retourne vers le réservoir profond par le forage d injection.

28 SGS Bâle

29 Début des injections :

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32 Une installation de type SGS est en phase finale de réalisation à Soultzsous-Forêts, en Alsace. Elle produira de l énergie dès Un ouvrage pilote similaire est en construction à Bâle. D une puissance de 3 MWe, la centrale fournira annuellement 20 GWh d électricité et 90 GWh de chaleur, à partir de Panne «sismique» => Arrêt pour 2 ans. Un deuxième projet suisse du même type est à l étude à Genève (projet GGP). Sa mise en service est prévue en Dès 2010, ces installations devraient être suivies par d autres, avec une puissance portée progressivement à MWe. Plusieurs projets SGS sont en voie de réalisation en Allemagne, au Japon et en Australie. Projets SGS en cours

33 < JURA AIRE SALEVE > 0.00 msm Projet GGP Genève Coupe verticale schématique des puits et du réservoir (toit du cristallin env m) Caractéristiques - 1 puits d injection L ~ m - 2 puits de production L ~ m - 1 puits d exploration et d observation L ~ m - 2 puits d observation L ~ m - Réservoir fracturé volume stimulé ~ 1 km m -1 km Production Production Injection 2000 m -2 km Observation Exploration et observation 3000 m -3 km 4000 m -4 km GRANITE Faisceau d écoute sismique 5000 m -5 km 6000 m -6 km Réservoir fracturé 7000 m

34 Régions potentielles en Suisse

35 Indépendance: énergie indigène. Avantages de l énergie géothermique Durabilité: inépuisable à l échelle humaine, gestion de type renouvelable. Disponibilité: 24 heures par jour et 365 jours par an. Propreté: pas de déchets ni d émission de gaz à effet de serre (CO 2, etc.) Diversité: pour le chauffage, le refroidissement et la production d électricité. Variété: large gamme de températures ( C) et de profondeurs ( m); possibilité de stockage de la chaleur solaire. Discrétion: installations compactes, qui n occupent que peu de surface de terrain. Sécurité: pas de transport ni de stockage de substances polluantes ou dangereuses. Economie: parmi les plus rentables des énergies renouvelables. Innovation: stimule les nouvelles technologies et crée des places de travail.

36 Longueur cumulée des forages géothermiques en Suisse Evolution entre 1993 et 2004 Drilling meters for BHE in Switzerland meters (L. Rybach, 2005)

37 Aspects économiques

38 Installations conventionnelles Les coûts de la chaleur produite par les installations géothermiques «conventionnelles» se situent aujourd hui entre 8 et 12 cts par kilowattheure. Ces prix sont comparables à ceux de la production de chaleur au mazout payé francs les 100 kg. Les coûts externes entraînés par les atteintes à l environnement (3 à 4 cts par kilowattheure), ne sont pas pris en compte dans les montants ci-dessus. Les coûts de production ont sensiblement baissés au cours des dix dernières années, grâce aux progrès faits dans le domaine de la planification (outils de simulation), une meilleure connaissance des conditions de fonctionnement (contrôles de performance) et la réduction des prix de construction (forages). Le potentiel de réduction des coûts de production de la chaleur produite par les techniques «conventionnelles» est estimé entre 15 et 20 % au cours des quinze prochaines années.

39 Installations SGS (avant séisme de Bâle) Le coût de construction d une installation SGS du type de Bâle est estimé à 86 mio de francs suisses, décomposé comme suit : Phase d exploration (site et travaux de reconnaissance) 6 mio Phase de développement (1er et 2ème puits, réservoir) 40 mio Ouvrages de production (3ème puits et centrale) 40 mio Dans l état actuel du développement des projets, les prix de production des énergies sont les suivants : Coût de production de l énergie électrique 16 à 18 cts par kwh Prix de vente de la chaleur coproduite 9 cts par kwh Avec le développement de la technologie et l augmentation de la puissance des installations, les prix ci-dessus devrait baisser de 10 à 20% au cours de la prochaine décennie.

40 Production actuelle

41 Energie géothermique produite en 2003 par type d installation Sondes géothermiques et collecteurs 56.0 % 622 GWh 37 GWh Aquifères profonds 3.4 % 313 GWh 110 GWh Nappes phréatiques 9.9% Autres 2.5% Bains thermaux 28.2 % 14 GWh 1GWh 13 GWh Eaux des tunnels 1.2 % Sondes profondes 0.1 % Géostructures 1.2 % Production totale d énergie de chauffage d origine géothermique en 2003 : 1110 GWh

42 La géothermie dans le projet DEEP CITY (PNR 54) Underground Resources and sustainable Development in Urban Areas (Projet national de recherche PNR 54)

43 The four main resources of the urban underground

44 Sectorial approach of urban underground use

45 Multi-use approach

46 Recent explosive development of geothermal systems The stress on urban underground due to the effective development of the shallow geothermal systems (geothermal probes, energetic geostuctures) makes urgent to edit the rules fixing their compatibility with other underground resouces potential.