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’exploitation• - Potentiel d’énergie urbaine

Bases géologiques de la géothermie

La vie sur la Terre entre l’energieexogène et endogène

Soleil Terre

• Origines du corps fondu de la Terre

- radioactivité naturelle

bombardement primitif

Manifestations terrestres:• le volcanisme

Geysers et volcans de boue

Black smokerssous-marins

• Tectonique des plaques et volcanisme

Principaux flux géothermiques

• Le gradient géother-miqueglobal

en moyenne 30°C/km

• Le gradient géothermique sur le Plateau Suisse

Températuresmoyennes

des venues d’eauen 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 àvisage multiple

• Les illustrations de ce chapitre sont empruntées à M. Jules Wilhelm, Ing.-conseil, Centre romand pour la promotion de la géothermie

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 50 - 250 – Eaux captées par les tunnels > 500 – Nappes d’eau profondes 500 - 3000 – Sondes profondes 500 - 3000

• Systèmes géothermiques stimulés : en cours de développement• Profondeur entre 3000 et 7000 mètres

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

Installations « conventionnelles »

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 CNAà Root, Lucerne.

Puissance de chauffe 950 kW, puissance de refroidissement 760 kW.

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.

Eaux des tunnelsLes 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.

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°C.

• L’injection d’eau froide sous forte pression ouvre des fissures, créant ainsi un réservoir exploitable.

• Les forages de productionpermettent 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.

SGS Bâle

Début des injections : 2.12.2006

Projets SGS en cours• Une installation de type SGS est en

phase finale de réalisation à Soultz-sous-Forêts, en Alsace. Elle produira de l’énergie dès 2006.

• Un ouvrage pilote similaire est en construction à Bâle. D’une puissance de 3 MWe, la centrale fournira annuellement 20 GWhd’électricité et 90 GWh de chaleur, àpartir de 2008. Panne « sismique »2006-2007 => 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 2012.

• Dès 2010, ces installations devraient être suivies par d’autres, avec une puissance portée progressivement à25-30 MWe.

• Plusieurs projets SGS sont en voie de réalisation en Allemagne, au Japon et en Australie.

< JURA AIRE SALEVE >

0.00 msm

1000 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

Projet GGP GenèveCoupe verticale schématique des puits et du réservoir(toit du cristallin env. -3’500 m)

Caractéristiques- 1 puits d’injection L ~ 6’000 m

- 2 puits de production L ~ 6’000 m

- 1 puits d’exploration

et d’observation L ~ 3’700 m

- 2 puits d’observation L ~ 3’700 m

- Réservoir fracturé

volume stimulé ~ 1 km3

Régions potentielles en Suisse

Avantages de l’énergiegéothermique

• Indépendance: énergie indigène.

• 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 (CO2, etc.)

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

• Variété: large gamme de températures (10 - 250°C) et de profondeurs (1 –6’000 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.

Longueur cumulée des forages géothermiques en Suisse Evolution entre 1993 et 2004

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

met

ers

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

Drilling meters for BHE in Switzerland

(L. Rybach, 2005)

Aspects économiques

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 50-55 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.

Installations SGS(avant séisme de Bâle)

• Le coût de construction d’une installation SGS du type de Bâle est estimé à86 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.

Production actuelle

Energie géothermique produite en 2003 par type d’installation

Sondes profondes0.1 %

Géostructures1.2 %

Autres2.5%

Nappes phréatiques9.9%Sondes géothermiques et collecteurs

56.0 %

Aquifères profonds3.4 %

Bains thermaux28.2 %

Eaux des tunnels1.2 %

622 GWh

37 GWh

313 GWh

110 GWh14 GWh

1 GWh

13 GWh

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”

(Projet national de recherche PNR 54)

The four main resources of the urban underground

Sectorial approach of

urban underground

use

Multi-use approach

Recent explosive developmentof geothermal systems

The stress on urban underground due to the effective development of the

shallow geothermal systems(geothermal probes, energetic

geostuctures) makes urgent to editthe rules fixing their compatibility with

other underground resoucespotential.