Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Installations de géothermie

Principe

L'énergie géothermique provient de l'accroissement de température au fur et à mesure que l'on pénètre plus profondément dans l'écorce terrestre, soit du fait du gradient naturel (3 °C/100 m, avec un flux moyen de 60 mW/m2), soit du fait de singularités géophysiques (réservoirs géothermiques naturels des roches poreuses à haute température).

On a coutume de distinguer trois grandes catégories de réservoirs, en fonction de leurs niveaux de température :

  • la haute température (> 220 °C)

  • la température intermédiaire (100 – 200 °C)

  • la basse température (50 – 100 °C)

Dans le premier cas, le fluide géothermique peut être essentiellement constitué d'eau ou de vapeur, dans les deux autres il s'agit d'eau, éventuellement sous pression. Une des particularités du fluide géothermique est qu'il ne s'agit jamais d'eau pure : il comporte aussi de nombreuses impuretés, des sels corrosifs (la concentration limite pour qu'une exploitation soit possible est égale à 1,5 mol/kg) et des gaz non condensables (GNC) en quantité variable (0,1-10 %). Nous verrons que cette particularité impose des contraintes spécifiques quant aux cycles thermodynamiques qui peuvent être mis en oeuvre.

Pour des raisons environnementales, le fluide géothermique doit généralement être réinjecté dans le réservoir après utilisation, mais ce n'est pas toujours le cas. La conversion thermodynamique de l'énergie géothermique fait appel à quatre principales techniques :

  • les centrales dites "directes" peuvent être utilisées si le fluide géothermique est de la vapeur surchauffée qui peut être directement détendue dans une turbine. Historiquement, c'est ce type de centrale qui a été le premier mis enoeuvre, à Larderello en Italie dès 1904

  • les centrales à vaporisation par flash permettent d'exploiter les sites où le fluide géothermique se présente sous forme de liquide pressurisé ou de mélange liquide-vapeur. C'est aujourd'hui le type de centrale le plus employé. Le fluide géothermique commence alors par être détendu dans une chambre à pression inférieure à celle du puits, ce qui permet d'en vaporiser une partie, qui est ensuite détendue dans une turbine

  • les systèmes dits binaires font appel à un fluide thermodynamique secondaire, qui suit un cycle de Rankine fermé, la chaudière étant constituée d'un échangeur de chaleur avec le fluide géothermique

  • les systèmes à mélange de fluides, du type cycle de Kalina, variante des systèmes binaires où le fluide thermodynamique n'est plus pur mais constitué de deux fluides afin de réaliser un glissement de température lors de la vaporisation

Des cycles mixtes ou combinés peuvent faire appel à la fois à un système direct ou flash et à un système binaire. Dans ce qui suit, nous présenterons ces différents cycles modélisés avec Thermoptim.

CENTRALES DIRECTES

Le cycle d'une centrale directe est très proche de celui de Hirn. La différence principale provient de la nécessité d'extraire les GNC si l'on souhaite pouvoir condenser l'eau en sortie de turbine, ce qui permet de détendre la vapeur à des pressions inférieures à l'ambiante. Selon les cas, l'extraction se fait en utilisant un éjecteur entraîné par la vapeur géothermique, ou un compresseur couplé à la turbine.

Généralement, le refroidissement du condenseur est assuré par une tour de refroidissement dont l'eau d'appoint peut être prélevée sur l'eau condensée elle-même. Comme nous l'avons indiqué plus haut, ce type de centrale suppose l'existence, au puits de production, de vapeur sèche, ce qui est exceptionnel : seuls le site de Larderello et celui des Geysers au NE de la Californie présentent cette propriété...

CENTRALE A SIMPLE FLASH

Généralement, on ne dispose au niveau du puits que d'un mélange liquide-vapeur de faible titre (inférieur à 0,5), que l'on ne peut donc directement envoyer dans la turbine.

Si la pression initiale est suffisante, une solution consiste à détendre partiellement ce mélange afin d'en vaporiser une partie, qui est alors turbinée, tandis que la fraction liquide est réinjectée. Tout comme dans le cas de la centrale directe, la phase vapeur contient généralement une quantité significative de GNC qu'il faut extraire si l'on veut condenser l'eau en sortie de turbine. On notera que la vapeur qui traverse la turbine est de l'eau distillée qui peut quelquefois être valorisée notamment comme eau potable.

CENTRALE A DOUBLE FLASH

Dans certains cas, si la pression en sortie de puits est suffisante, il est possible de réaliser un double flash, ce qui permet de récupérer de la vapeur à deux niveaux de pression différents et d'augmenter les performances de la centrale. Théoriquement, on pourrait ainsi multiplier le nombre d'étages de flash, mais les contraintes technologiques et économiques le limitent en pratique à 2.

Comme le montre le schéma ci-dessous, le flux liquide qui, dans le cycle précédent était recomprimé puis réinjecté, subit cette fois-ci un second flash. La phase liquide est recomprimée et réinjectée, tandis que la phase vapeur est mélangée au flux de vapeur issu du premier flash et détendu à la même pression. L'ensemble est ensuite détendu dans une turbine BP à la pression de condensation

CENTRALE A CYCLE BINAIRE

Lorsque la température ou la pression en sortie de puits sont basses, il ne devient plus possible de faire appel à des cy-cles à détente directe ou à flash. On utilise alors un deuxième fluide thermodynamique, qui suit un cycle de Rankine fermé, avec ou sans surchauffe. Le fluide géothermique transfère alors sa chaleur à ce fluide, avant d'être réinjecté. Une tour de refroidissement permet d'assurer la condensation du fluide technique, dont le choix dépend de multiples considérations, technologiques, environnementales et économiques. Etant donné qu'il s'agit souvent d'un fluide organique, on a coutume de parler de cycle de Rankine organique (ORC, Organic Rankine Cycle en anglais).

Les pression et température de condensation du butane peuvent ici être plus basses que pour le fluide géothermique dans les cycles à flash du fait de l'absence d'incondensables dans ce second cycle. Tout comme tout cycle de Hirn, ce cycle peut être amélioré en introduisant judicieusement des réchauffes et/ou des prélèvements.

Centrale géothermique binaire

CYCLE DE KALINA

Le cycle de Kalina, qui est présenté de manière détaillée dans une autre fiche thématique, utilise comme fluide de travail le système "eau - ammoniac", qui présente un glissement de température important. Le cycle de Kalina remplace le cycle ORC de l'exemple précédent. Compte tenu du glisse-ment de température, les irréversibilités dans les échangeurs entre le fluide géothermique et le fluide de travail sont réduites, et la chaleur géothermique mieux utilisée.

CYCLE COMBINE

Comme nous l'avons vu, une des contraintes rencontrées dans les cycles directs ou à flash à condensation est la nécessité d'extraire les incondensables, qui se traduit par une consommation énergétique parasite non négligeable.

Une solution alternative consiste à utiliser un cycle combiné, associant un cycle direct ou à flash avec un cycle ORC à fluide thermodynamique intermédiaire, la vapeur sortant de la turbine à une pression supérieure à l'atmosphérique, et étant refroidie dans la chaudière du second cycle.

CYCLE MIXTE

L'un des principaux inconvénients des cycles à flash est qu'ils n'exploitent qu'une faible part du débit total de fluide géothermique, celle correspondant à la fraction vapeur après le ou les flash, la fraction liquide étant réinjectée. Les cycles mixtes permettent de mieux valoriser le fluide géothermique, en se servant de la fraction liquide pour fournir l'énergie nécessaire à un cycle ORC annexe. On peut ainsi obtenir un rendement global bien supérieur à celui d'un cycle à flash. Bien entendu, si le cycle amont d'un cycle combiné est du type flash, il est possible de lui associer un second cycle ORC du type mixte.

Le gain apporté est un peu plus faible que celui obtenu dans le cycle combiné, mais déjà tout à fait significatif. Notons qu'il serait d'ailleurs tout à fait possible de greffer un tel cycle à butane sur le cycle combiné, ce qui permettrait d'en améliorer les performances.

Références livre

Chapitre 9 tome 3

Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Fiche-guide de TD

Une fiche-guide de TD traite de géothermie. Ses objectifs sont l’étude et la modélisation sous Thermoptim d’installations géothermiques existantes, l’analyse de l’influence des différents paramètres sur leurs performances et la comparaison de solutions concurrentes.

copyright R. Gicquel

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)