La géothermie - Cours de géologie de l’environnement

Cours de géologie de l’environnement Prof. A. Parriaux

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

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

Bases géologiques de la géothermie

La vie sur la Terre entre l’energie exogène

Soleil

et

endogène

Terre

• Or Orig igin ines es du co corp rpss fon fondu du de la Te Terr rree

bombardement primitif 

- rad radioa ioacti ctivit vitéé nat nature urelle lle

Manifestations terrestres: • le volcanisme

Geysers et volcans de boue

Black smokers sous-marins

• Te Tect cton oniq ique ue de dess pl plaq aque uess et et vol volca cani nism smee

Principaux flux géothermiques

• L e g ra d i e n t géothermique global

• Le gradient géothermique sur le Plateau Suisse

en moyenne 30°C/km

Températures moyennes des venues d’eau en tunnel

Température et relief du tunnel du Simplon

• Le gradient géothermique sous les Alpes

Géothermie et eaux souterraines: les manifestations

Fumeroles vapeur d’eau et soufre

Vapeur d’eau HP

Géothermie et eaux souterraines: • les mécanismes

Les sources thermales en Suisse

• Principaux concepts d’exploitation

Une énergie d’avenir à visage multiple

•

Les Les illu illustr strati ation onss de de ce ce chap chapititre re sont sont empr emprun unté tées es à M. Jul Jules es Wilh Wilhel elm, m, Ing. Ing.-co -cons nsei eil,l, Centre romand pour la promotion de la géothermie

Méthodes d’exploitation en Suisse • Sy Syst stèm èmes es d’e d’exxpl ploi oita tatition on «c «con onve vent ntio ionn nnel els» s» : usag usagee coura courant nt • Profondeur entre 0 et 3000 mètres  –  –  –  –  –  –  –  –

Captage de sources d’eaux chaudes Échangeur enterré Prélèvement dans une nappe phréatique Géostructures énergétiques Sondes et champs de sondes géothermiques Eaux captées par les tunnels Nappes d’eau profondes Sondes profondes

Profondeur (mètres) en surface 0,5 - 2,5 1 - 30 5 - 40 50 - 250 > 500 500 - 3000 500 - 3000

• Systèmes géo éotthermiq iquues stimulé léss : en cours cours de de dévelop développem pement ent • Profondeur entre 3000 et 7000 mètres

Possibilités d’utilisation • Ch a u f f a g e •

- Espaces Espaces de séjour séjour et de travail. travail. (habitat, école, bureau, hôpital, etc.) - Piscines, thermalisme. - Se Serres agricoles. - Piscicultures. - Chaussées routières et aéroportuaires. - Ta Tabliers de ponts.

• • • • • • • •

Refroidissement - Espaces de séjour et de travail.

• • •

•

•

Production d’électricité

Séchage - Applications Applications dans l’agricu l’agriculture lture et l’industrie.

Instal Ins tallat lation ionss « con conven ventitionn onnell elles es »

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 équipée d’une d’une pompe pompe à chaleur. chaleur.

Champs de 40 sondes géothermiques du nouveau complexe administratif de la CNA à Root, Root, Luc Lucer erne ne.. Puissance de chauffe 950 kW, kW, puissance de refroidissement 760 kW. kW.

Géos Géostr truc uctu ture ress éner énergé gétitiqu ques es •

Géostructu Géostructures res en béton, béton, pouvant pouvant être 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’échangeu geur de chaleur est constitué d’un réseau de tubes noyés dans la géostructure. La ch chaleur ré récupéré érée en en pr profondeur es est amené par le fluide fluide caloporte caloporteur ur vers une pomp pompee à chal chaleur eur.. Principe identique à une sonde.

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 c onstruction avoisine les 100 MWth. MWth.

Depuis 1992, près de 200 appartements de la commune d’Oberwald d’Oberwald,, en Valais, ont été pourvus pourvus d’un 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.

Systèmes géothermiques stimulés

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° 200°C C. • L’in ’injec jection ion d’ d’eau fro froiide so sous fo forte pression ouvre des fissures, créant ainsi un réservoir exploitable. • Les forages de production permettent d’amener le fluide réchau réchauffé ffé en profon profondeur deur vers vers un échangeur en surface. • Un turbogénérateur produit de l’élect l’électrici ricité té au moyen moyen de la chaleu chaleurr transmise par l’échangeur. • Le flui fluide de refr refroi oidi di du circ circui uitt prim primai aire re retourne vers le réservoir profond par le forage d’injection.

SGS Bâle

Début des injections : 2.12.2006

Projets SGS en cours • Une ins installat lation de type SGS est en phase finale de réalisation à Soultzsous-Forêts,, en Alsace. Elle sous-Forêts produira de l’énergie dès 2006. • Un ouvrage pilo ilote simila ilaire ire est en construction à Bâle Bâle.. D’une puissance de 3 MWe, la centrale fournira annuellement 20 GWh d’éle d’élect ctric ricité ité et 90 90 GWh GWh de cha chale leur, ur, à partir de 2008. Panne « sismique » 2006-2007 => Arrêt pour 2 ans. • Un deuxièm ième proj rojet suisse du même type type est est à l’étu l’étude de à Genève (projet GGP). Sa mise en service est prévue en 2012. • Dès Dès 2010 2010,, ces inst instal alla latition onss dev devraie raient nt être suivies par d’autres, avec une puissance portée progressivement à 25-30 MWe. MWe. • Plus lusieu ieurs projet jets SGS sont en voie de réalisation en Allemagne Allemagne,, au Japon et en Australie Australie..

< JURA

SALEVE >

AIRE

0.00 msm 1000 m -1 km

Projet GGP Genève

2000 m -2 km

(toit du cristallin env. -3’500 m)

-3 km

- 2 puit puitss de prod produc uctition on

L ~ 6’00 6’0000 m

4000 m -4 km

GRANITE Faisceau d’écoute sismique 

5000 m

et d’observation

L ~ 3 ’7 0 0 m

- 2 puits d’observation

L ~ 3’700 m

-5 km 6000 m

- Réservoir fracturé ~ 1 km3

Exploration  

3000 m

- 1 puit puitss d’ex d’expl plor orat atio ionn

volume stimulé

Observation

et observation 

Caractéristiques

L ~ 6’00 6’0000 m

Production  

Injection 

Coupe verticale schématique des puits et du réservoir

- 1 puits puits d’inj d’injec ectition on

Production

-6 km Réservoir fracturé 

Régions potentielles en Suisse

Avantages de l’énergie géothermique •

Indépendance: énergie indigène.

•

inépuisable à l’échelle l’échelle humaine, gestion gestion de type type renouvelable. renouvelable. Durabilité: inépuisable

•

Disponibilité: 24 heures par jour et 365 jours par an.

•

déchets ni d’émissio d’émissionn de gaz à effet de serre serre (CO2, etc.) Propreté: pas de déchets

•

Diversité: pour le chauffage, le refroidissement et la production d’électricité.

•

250°C) et de profondeurs (1 – Variété: large gamme de températures (10 - 250°C)

•

•

6’000 m); possibi possibilité lité de stockage stockage de la chaleur chaleur solaire. 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.

Longueur Lon gueur cumul cu mulé ée des fora for ages géot géothermiq hermiques ues en en Sui Suiss sse e Evolut Evol utii on entre entr e 199 1993 3 et et 2004 2004

Drilling meters for BHE in Switzerland 700000 600000 500000     s 400000     r     e      t     e     m 300000

200000 100000 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

(L. Rybach, 2005)

 Aspects économiques économiques

Installations conventionnelles • Les Les coû coûts ts de la cha chaleu leurr prod produi uite te par par les les ins insta talla llatition onss géo géoth ther ermiq mique uess «conventionn «conventionnelles» elles» se situent situent aujourd’hu aujourd’huii entre 8 et 12 cts par kilowattheure kilowattheure.. Ces prix sont compara comparables bles à ceux de la production production de chaleur chaleur au mazout mazout payé payé 50-55 francs francs les les 100 kg. kg. • Les coûts externes entraî entraînés nés par par les les attein atteintes tes à l’envir l’environn onneme ement nt (3 à 4 cts par kilowattheure) kilowattheure),, ne sont pas pris en compte dans dans les montants ci-dessus. ci-dessus. • Les Les coû coûts ts de prod produc uctition on ont ont sen senssible ibleme ment nt baissés au cours des dix dernières années, grâce aux progrès faits dans le domaine de la planification planification (outils (outils de simulation), simulation), une meilleure connaissa connaissance nce des conditions de fonctionnement (contrôles de performance) et la réduction des prix de construction (forages). • Le pot poten entitiel el de de rédu réduct ction ion des des coût coûtss de pro produc ductio tionn de la cha chaleu leurr prod produit uitee par par les tech techniq niques ues «con «conven vention tionnel nelles les»» est esti estimé mé entre entre 15 et 20 % au cours des quinze prochaines années.

Installations SGS (avant séisme de Bâle) • Le coût coût de cons constru truct ction ion d’un d’unee ins insta talla llatition on SGS SGS du du typ typee de Bâle Bâle est est est estim iméé à francs suisse suisses, s, décomposé décomposé comme suit : 86 mio de francs  – 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 Dans l’ét l’état at act actue uell du dév dévelo elopp ppem emen entt des des proje projets ts,, les les prix prix de de prod produc uctition on des 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 Avec le le déve dévelo lopp ppem emen entt de la la tech techno nolog logie ie et et l’au l’augm gment entat atio ionn de la la puis puissa sanc ncee des installation installations, s, les prix ci-dessus ci-dessus devrait devrait baisser baisser de 10 à 20% au cours de la prochaine décennie.

Production actuelle

Energie nergi e géothermique géothermiq ue produ pr oduitite e en 200 2003 par type typ e d’ d’in inst sta alla ll ation ti on

Sondes géothermiques et collecteurs 56.0 %

Nappes phréatiques 9.9% Eaux des tunnels 1.2 %

622GWh

14GWh 110GWh Autres 2.5%

313GWh

1GWh

13GWh

Sondes profondes 0.1 % Géostructures 1.2 %

37GWh Aquifères profonds 3.4 %

Bains Bains thermaux thermaux 28.2 %

Production totale d’énergie de chauffage d’origine géothermique en 2003 : 1110 GWh

La géothermie dans le projet DEEP CITY (PNR 54)

“Underground Resources and sustainable Development in Urban Areas” (Pro (P roje jett nati nation onal al de de rech recher erch chee PN PNR R 54) 54)

The four main resources of the urban underground

Sectorial approach of urban underground use

Multi-use approach

Rece Re cent nt ex expl plos osiv ivee de deve velo lopm pmen entt of geo eoth ther erm mal syste tem ms The The stre stress ss on on urba urbann unde undergr rgrou ound nd due due to the the eff effec ectitive ve dev devel elop opme ment nt of the the shallow geothermal systems (geo (geoth therm ermal al probe probes, s, energ energet etic ic geostuctures) makes urgent to edit the the rrul ules es fixi fixing ng thei theirr comp compat atib ibililitityy wit withh othe otherr unde underg rgro roun undd resou resouce cess potential.