Geothermie - Patrick MONASSIER

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Geothermie - Patrick MONASSIER

La GéothermiePatrick MONASSIERUniversité Lyon 1Faculté des Sciences et TechnologiesMaster ERGE3Diaporama réalisé à partir des publications du SER de mars 200111


La GéothermieSommaireLa géothermie en Europe et dans le mondeLa géothermie en FranceUne source d’énergie renouvelable et inépuisablePrincipes de fonctionnement et usages3101722Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2


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La chaleur géothermiquedans le monde.Fin 2009, plus de 70 pays utilisaient lagéothermie pour produire de la chaleur. L apuissance installée est estimée à 50,6 GW, cequi correspond à une production annuellesupérieure à 120 000 GWh.Les principaux pays producteurs sont leJapon, la Chine, la Russie, les pays d’Europede l’est, centrale et orientale, et les Etats-Unis. L a France a joué un rôle de pionnierdans le développement de la géothermie, enparticulier dans le Bassin parisien quiprésente la plus grande densité au monded’opérations de géothermie enfonctionnement, grâce à son très importantgisement.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 4


Les ressources mondiales de géothermie (source BRGM)Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 5


L’électricité géothermique dans le mondeOn dénombre aujourd’hui plus de 350 installations géothermiques haute et moyenneénergie dans le monde. La puissance totale de ces centrales électriques est d’environ10 700 MW en 2010 (contre 8 000 MW en 2000), soit 0,3 % de la puissance mondialeélectrique installée sur la planète. En nombre de MWh produits, la géothermieconstitue, avec la biomasse et l’éolien, l’une des quatre principales sourcesd’électricité renouvelable dans le monde après l’hydroélectricté.Les principaux pays producteurs se situent sur la périphérie du Pacifique : six sur lecontinent américain pour plus de 4 550 MW, cinq en Asie pour plus de 3 800 MW,deux en Océanie pour 630 MW. L ’Europe compte six pays producteurs (Allemagne,Danemark, France, Islande, Italie, Suède) pour une puissance de 1 470 MW, et deuxseulement en Afrique pour 174 MW.La géothermie couvre 0,4 % des besoins mondiaux en électricité. Sa contribution auxbesoins nationaux peut être bien plus élevée dans certains pays, et atteindre plusieurspourcents.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 6


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La situation européenneEn 2009, on estimait la puissance électrique installée de l’ensemble des pays del’Union Européenne à environ 900 MWe. L a puissance thermique s’élevait quant àelle à environ 2 900 MWth pour l’utilisation directe de la chaleur (hors PACgéothermiques).Le marché annuel desPAC géothermiquesdans les pays de l’UnionEuropéenne est estimé à103 150 unités en 2009.Le parc installé s’élevaità près de 900 000 PACgéothermiques enfonctionnement.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 8


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Un gisement favorableEn Ile-de-France, la géothermie peut être considérée comme la première énergierenouvelable : en effet, la région compte à ce jour 34 centrales géothermiques enfonctionnement, dont 16 dans le seul département du Val-de-Marne quireprésente 40 % de la géothermie française.La France a joué un rôle de pionnier dans le développement de la géothermieavec la valorisation du Bassin parisien (aquifère du Dogger) qui présente la plusgrande densité au monde d’opérations de géothermie basse énergie enfonctionnement.Sur l’ensemble de son sous-sol, notre pays recèle un potentiel géothermique trèsimportant, dont seule une infime partie est aujourd’hui exploitée, que se soit parla géothermie basse énergie ou par les pompes à chaleur (géothermie très basseénergie).Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 11


Le gisement géothermique français (source : BRGM)Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/201112


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Le chauffage urbainLa France dispose de 65 installations dédiées au chauffage urbain, réalisées pourl’essentiel dans les années 1980. Elles assurent la couverture des besoins de près de200.000 équivalent-logements, dont 150.000 en région parisienne.Après une quinzaine d’années de pause, liée aux cours relativement bas desénergies fossiles, la géothermie connaît un regain, et de nouvelles opérations voientle jour. La Région francilienne a relancé la géothermie en investissant avec l’ADEME,sur la période 2008-2013, 22 millions d’euros dans la création de six puits et laremise en état de six autres. Cette opération permettra, d’ici 2013, de chauffer30.000 logements nouveaux.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 14


Les pompes à chaleur pour particuliersLa géothermie avec usage de pompes à chaleur sur aquifères superficiels, surcapteurs horizontaux ou sur sondes verticales connaît également un regain d’intérêtdepuis quelques années pour le chauffage et le refroidissement.La France participe au développement rapide et sans précédent de ce marché quidevient un des plus importants d’Europe :en 2010, environ 9 000pompes à chaleur ont étéinstallées.Le crédit d’impôt accordépour l’acquisition de pompesà chaleur a joué un rôleimportant dans la croissancede ce marché. Depuis 2010, lecoût de la main d’œuvre pourla réalisation du forage estinclus dans le crédit d’impôt.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 15


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La géothermie : une énergie propre et durableLa géothermie produit peu de rejets, c’est une énergie propre qui ne participe pasà la dégradation du climat et qui ne nécessite pas de transport ni de stockage desubstances polluantes ou dangereuses. En profondeur, la planète dispose d’unstock de chaleur illimité à l’échelle humaine et, à sa surface, le sol est réchauffépar le rayonnement solaire et la migration des eaux de pluie.Une énergie renouvelableLes quantités d’eau chaude contenues dans les réserves souterraines ne vont pasdisparaître à cause des exploitations géothermiques. Au contraire, les quantitésd’eau vont se renouveler grâce au ruissellement naturel ; quant à la chaleur, celleciprovient à 90 % du gisement minéral.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 18


La chaleur de la terre :www.geothermie-perspectives.frLa chaleur du proche sous-sol : Le rayonnement solaire et les conditions climatiquesont une influence sur la température terrestre des premiers mètres du sous-sol. Audelà,l’énergie géothermale provient de la chaleur stockée depuis des millions d’annéesdans l’écorce terrestre. La quantité moyenne d’énergie des roches de la croûte terrestrepar km3 représente environ 15 millions de tep.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 19


Une énergie peu émettrice de CO₂Les centrales géothermiques émettent en moyenne 55 g de CO ₂ par kWh, soitenviron 10 fois moins qu’une centrale thermique fonctionnant au gaz naturel.Ces émissions peuvent être réduites à néant lorsque l’installation réinjecte lesliquides géothermaux dans leurs réserves souterraines, ce qui est souvent lecas pour les installations modernes.Une disponibilité planétaireLa chaleur présente dans les profondeurs vient du centre même de la Terre, etest ainsi répartie également sur l’ensemble de sa surface. Ainsi, il n’existe pasde bon ou mauvais site géothermique, la chaleur naturelle étant toutsimplement disponible partout sous nos pieds. La seule variable déterminant lechoix d’un site reposera sur la facilité d’accès à cette ressource (composition dusous-sol, situation en surface, etc.).Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 20


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Géothermie très basse énergie : température inférieure à 30 °CElle est caractérisée par l’exploitation d’une ressource de température inférieure à30 °C ne permettant pas une utilisation directe de la chaleur par simple échange.Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cetteénergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante pour lechauffage.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 23


Les pompes à chaleur géothermiquesElles valorisent les calories du sol ou de l’eau des nappes par le biais de réseaux decapteurs, de sondes ou de forages d’eau. L es capteurs étant installés à laprofondeur requise pour que la température soit quasiment constante toutel’année, ce type de PAC est performant quelle que soit la température hivernale.Capteurs horizontaux : Ils sont répartis et enterrées horizontalement à faibleprofondeur (de 0,60 m à 1,20 m) dans le terrain. Selon la technologie employée, del’eau additionnée d’antigel ou le fluide frigorigène de la pompe à chaleur circule encircuit fermé à l’intérieur de ces capteurs.Capteurs verticaux (ou sondes géothermiques) : Ils sont installés dans unforage et scellés par du ciment. La profondeur peut atteindre jusqu’à 200 m où latempérature du sol est stable tout au long de l’année. On y fait circuler en circuitfermé de l’eau additionnée de liquide antigel. L ’emprise au sol est minime parrapport à des capteurs horizontaux. Pour chauffer une maison de 120 m2habitables, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent. L eforage étant réglementé, une déclaration préalable à la DRIRE doit être demandéeavant l’installation de la PAC.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 24


Les champs de sondePour chauffer des grands bâtiments ou un groupe de logements, il est aussipossible d’installer une série de sondes géothermiques verticales. De cettemanière, on dispose d’un plus grand potentiel de chaleur terrestre. Pour unchamp de sondes, on installe plusieurs sondes géothermiques à des profondeursvariant de 30 à 300 mètres et à intervalles réguliers. L es sondes sontrassemblées dans les conduites et raccordées à une ou plusieurs pompes àchaleur.Les PAC aquathermiquesLes PAC aquathermiques ou hydrothermiques puisent la chaleur contenue dansl’eau. L e plus souvent, c’est dans les nappes phréatiques que l’on trouve une eauà température suffisante (7 à 12 °C) et constante. Il est également possibled’utiliser l’eau d’une rivière ou un lac. L es PAC sur eau de nappe nécessitent unou deux forages de 30 à 100 m de profondeur. Ce type de captage est réglementéet doit faire l’objet d’une déclaration préalable.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 25


Fondations thermoactives (ou pieux géothermiques)Certains grands bâtiments nécessitent pour des raisons de portance d’être construitsavec des fondations sur pieux en béton. Il est possible d’équiper ces pieux decapteurs (tubes de polyéthylène placés au cœur du pieu) et de connecter ce systèmede captage à une pompe à chaleur pour capter l’énergie du sol et fournir de lachaleur ou du froid au bâtiment.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 26


Géothermie basse et moyenne énergieLa géothermie basse énergie repose classiquement sur l’utilisation directe de lachaleur de l’eau chaude contenue dans les aquifères profonds.Réseaux de chaleur et doublets géothermiquesLe chauffage d’un quartier ou d’un ensemble d’immeubles d’habitat collectif peuts’effectuer par l’intermédiaire d’un réseau de chaleur, c’est-à-dire un réseau decanalisations de grande longueur chargé de distribuer la chaleur dans des sousstationsau pied de chaque immeuble ou de chaque groupe d’immeubles.Si l’eau de l’aquifère exploité est chargée en sels minéraux, et que son rejet ensurface n’est pas compatible avec les normes environnementales, il est nécessaire deréinjecter le fluide dans sa nappe d’origine. Son exploitation nécessite donc deuxforages, un forage de production et un forage de réinjection, c’est la technique dudoublet géothermique. Afin d’éviter les interférences de température entre les deuxforages, il convient d’espacer les puits d’une distance évaluée selon lescaractéristiques de l’opération de géothermie.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 27


Géothermie haute énergieLa production d’électricité d’origine géothermique est possible sur les réservoirs dontla température est comprise entre 150°C et 350°C et permettant des débits deproduction de fluides suffisants.Plusieurs méthodes et techniques de production d’électricité géothermiques existent :• Pour les sources de vapeur haute température, que l’on retrouve notamment sur leszones de volcanisme actif, l’électricité peut être produite directement par injection dela vapeur dans une turbine ou indirectement par échange de chaleur avec une eaumoins corrosive.• Pour les sources moins chaudes (moins de 175 °C), les techniques employées (ex :cycle binaire) jouent sur la condensation puis la détente du fluide géothermal.• La technologie des « Enhanced Geothermal Systems » (EGS), telle qu’elle estexpérimentée à Soultz-sous- Forêts en France, consiste à injecter de l’eau dans lesroches chaudes et à exploiter la vapeur créée pour produire de l’électricité.Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 28


Applications diverses de la géothermiePatrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 29

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