Cours Energie Géothermique GEE3 PDF

Cours Energie Géothermique GEE3 Prof. AIT HSSAIN Mustapha  Géothermie Géothermie de surface-Présentation et pompe à chaleur Géothermie de surface-Capteurs enterrés et géostructures Géothermie de surface- Aquifères superficiels et stocka...

Cours Energie Géothermique GEE3 Prof. AIT HSSAIN Mustapha  Géothermie Géothermie de surface-Présentation et pompe à chaleur Géothermie de surface-Capteurs enterrés et géostructures Géothermie de surface- Aquifères superficiels et stockage thermique souterrain Production d’électricité et de chaleur Contexte générale du l’élément du module Energies Renouvelables Energies Fossiles Hydroélectrique Le Gaz Eolien Sources Energétiques Solaire Le Charbon Biomasse Géothermique Le Pétrole Un certain nombre de circonstances nous affectent globalement:  L’effet de serre  Le réchauffement climatique  Les difficultés de l’approvisionnement énergétique  Des effets socio-politiques de la dépendance énergétique, des stratégies contre les effets du changement climatique et des engagements et des volontés pour soutenir les sources d’énergie autochtones (aborigène) et renouvelables.  Il convient de noter que le problème, au niveau mondial, de l ’énergie et de l’environnement cause actuellement, comme dans le cas d’autres énergies renouvelables, un certain intérêt en énergie géothermique  Géothermie Grâce à des procédés de captage, on peut récupérer l’énergie stockée sous la surface de la Terre et de s’en servir pour chauffer les bâtiments ou produire de l’électricité. Géothermie, du grec Géo (la terre) et Thermos (la chaleur) désigne à la fois chaleur terrestre et son exploitation par l’homme Géothermie (UNESCO, 1993) : c’est l’utilisation de la chaleur naturelle de la Terre, en tant que source d’énergie locale, concurrentielle, durable et acceptable du point de vue écologique et social, pour produire de l’électricité et pour des applications directes de la chaleur » Hydrothermalisme: Qui se rapporte aux circulations d’eaux souterraines chaudes et minéralisées et à leur utilisation.  Géothermie Lac de veiovotn (Island) Champagne Pool en Waiotapu (N. Zélanda) Formation de Soufre au cratère du volcan Dallol (Ethiopie) Les manifestations les plus visibles de la géothermie sont bien connues (volcans, geysers, sources chaudes, les mines …)  Géothermie Structure du globe Sur la base du comportement physique des couches (rigides ou Sur la base des discontinuités majeures des vitesses molles) : lithosphère, asthénosphère, mésosphère, noyau des ondes sismiques : croûte, manteau et noyau interne et noyau externe  Géothermie Structure du globe Les ondes sismiques se propagent à l'intérieur du globe. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale augmente avec la profondeur. Il s’agit des :  Ondes P ou ondes primaires, appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides (6km.s- 1 près de la surface) et sont enregistrées en premier sur un sismogramme.  ondes S ou ondes secondaires, appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. À leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau de la Terre. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P.  Géothermie Structure du globe  Géothermie Structure du globe Sur la base des discontinuités sismiques majeures on distingue: Le manteau : il représente 82.5% en volume de la terre. Son épaisseur est de 2900km. Il est limité à la base par la discontinuité majeure de Gutenberg. On peut distinguer au sien de ce manteau 2 unités:  Le manteau supérieur qui s’étend jusqu’à 670km  Le manteau inférieur dont la profondeur est comprise entre 670km et 2900km. Le Noyau : il représente 16% du globe terrestre. Le noyau a une épaisseur maximale de 3300km. Il comprend:  Le noyaux externe, dont la profondeur est comprise entre 2885km et 5155km.  Le noyau interne (ou Graine) dont la profondeur est comprise entre 5155km et 6370.  Géothermie Structure du globe Sur la base des discontinuités sismiques majeures on distingue aussi: Le croûte : c’est la couche externe qui représente 1.5% volume de la Terre. Elle est limitée à la base par la discontinuité majeure de Mohorovicic (dite de MOHO). Il faut distinguer 2 types: La croûte continentale ; épaisse en moyenne de 35km (mais dont l’épaisseur peut atteindre 80 km sous les hautes chaînes de montagnes. La croûte océanique, très mince (5 à 8km sous océans)  Géothermie Structure du globe Selon si les matéraux sont « rigides » ou « mous » on distingue:  La lithosphère : c’est un bloc rigide et qui comprend la croûte et la partie sommital rigide du manteau supérieur. Son épaisseur varie entre 7 km sous les océans et 200km au niveau des continents. Sa limite inférieur est marquée par discontinuité dite (LVZ).  L’asthénosphère : qui est une zone « molle » ou « plastique » qui s’étend depuis la limite inférieure de la lithosphère jusqu’à 670km de profondeur. Elle est formée du reste du manteau supérieur dont la partie supérieure est une zone de moindre vitesse des ondes sismiques (LVZ, low velocity zone) dont l’épaisseur est d’environ 200km. Sa densité est d’environ 3.3g/cm3.  Mésosphère : est un bloc « rigide » ; il synonyme le manteau inférieur. Sa limite supérieure (670km) est marquée par la croissance brutale des vitesses des ondes sismiques jusqu’à la discontinuité de Gutenberg (2900km). Sa densité est également croissante avec la profondeur en passant de la valeur 3.3 à 5.5 g/cm3  Géothermie Structure du globe  La couche « D »: C’est une zone molle , d 200 à 300km d’épaisseur comprise entre le manteau inférieur et le noyau externe.  Géothermie Modèle géodynamique et tectoniques des plaques La lithosphère solide est fragmentée en plusieurs plaques mobilisées par les mouvements au sein de l’asthénosphère. Des dégagements importants de chaleur se produisent aux frontières de ces plaques. Ils se manifestent par une activité volcanique importante et des intrusions magmatiques.  Géothermie Modèle géodynamique et tectoniques des plaques Les zones chaudes se concentrent aux limites actives des plaques avec volcanisme et sismicité  Géothermie Modèle géodynamique et tectoniques des plaques Carte de l’âge des roches de la lithosphère océanique  Géothermie Transferts de chaleur dans le globe. Dans le globe le transfert de chaleur se fait principalement sous deux formes:  Conduction: il s’agit d’un mouvement de chaleur à travers de la matière immobile par agitation atomique. D’une manière générale, le flux moyen est l’expression de l’évacuation de chaleur par conduction, c’est-à-dire par diffusion à travers la lithosphère rigide.  Convection: Il s’agit d’un mouvement de chaleur associé à un mouvement de matière, celle-ci transporte sa chaleur. Ascension de matière chaude, descente de matière froide, sont l'expression de grands mouvements de convection da ns le manteau. Le flux géothermique , très élevées aux dorsales océaniques, traduit l’ascension importante de matière chaude à leur niveau. Le flux élevé sous les chapelets d’iles est l’expression du volcanisme de point chaud. Le déficit de flux géothermique observé au niveau des fosses de subduction traduit l’enfoncement de lithosphère froide dans le manteau chaud.  Géothermie Transferts de chaleur dans le globe. Ils sont lents, 1 à 10 cm par an, mais ils constituent un m oyen efficace de transfert de chaleur. La convection est 20 à 200 fo is plus efficace que la condu ction.  Géothermie Evacuation de la chaleur interne Les points chauds représentent une autre forme d'évacuation de la chaleur interne, cette figure montre les points chauds les plus actifs au monde  Géothermie Evacuation de la chaleur interne Le flux géothermique La température à la limite du noyau-manteau est estimée à 3000-3500°c alors qu'elle n'est que de 15 °c à la surface du gl obe. Un transfert de chaleur s'effectue de l'intérieur chaud vers la surface terrestre froide : c'est le flux géothermique. Le flux géothermique: est défini par la quantité de chaleur qui se dégage par unité de temps et par unité de surface du sol. Sa valeur est égale au produit du gradient géothermique par la conductivité thermique des roches crustales. Elle s'exprime en W.m-2. A la surface du globe, la valeur du flux géothermique est faible, elle s'exprime en mW.m-2 et est en moyenne de l'ordre de 50-60 mW.m-2. Les valeurs mesurées de ce flux montre comme le gradient géothermique présente de fortes disparités locales :  En France le flux moyen est de 100 mW.m-2, soit le double du flux mondial, les valeurs maximales s'observent au nive au des fossés d'effondrement, Alsace, Limagnes.  A l'échelle mondiale, les flux les plus élevés sont localisés aux grands fossés d'effondrement continentaux (Rift Valley en Afrique) mais surtout le long des dorsales océaniques et des chapelets d'îles (Hawaï, Polynésie), siègent de volcanisme intense.  Géothermie Origine de la chaleur interne du globe Contrairement à une idée largement répandue, l’essentiel de la chaleur dégagée par la terre ne provient pas du refroidissement du noyau. Les zones intermédiaires entre le noyau et la croute sont en effet de très mauvaises conductrices de chaleur. Deux phénomènes principaux expliquent l’origine de la chaleur rencontrée dans la croute terrestre :  La désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches constituant la croute;  La dissipation de l’énergie dite « primitive ».  Géothermie Origine de la chaleur interne du globe L’origine principale du chaleur géothermique provient de la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches de la croute terrestre. 238 U , 235U et 40 K , 232Th Les isotopes participant le plus au dégagement de chaleur sont l’uranium 𝟐𝟑𝟖 𝑼, 𝟐𝟑𝟓𝑼 le potassium 𝟒𝟎𝑲 et le Thorium 𝟐𝟑𝟐 𝑻𝒉. On remarque que c’est la désintégration de l’Uranium qui produit le plus d chaleur.  Géothermie Origine de la chaleur interne du globe L’énergie totale produite par désintégration d’élément radioactifs est de 22,6.10^12W. On remarque que c’est le manteau qui libère le plus d’énergie soit 68,9% de l’énergie totale libérée. Cela s’explique par son grand volume, même si les éléments radioactifs y sont faiblement concentrés. L’énergie produite par différentes enveloppe de la terre : Le Flux thermique moyen de la planète est de 3.10^13 W pour une superficie de la terre 510.10^6Km2, ce qui donne un flux moyen de 60mW.m-2.  Géothermie Gradient géothermique et flux de chaleur terrestre On enregistre une augmentation de la température au sein de la Terre en fonction de la profondeur. Cette augmentation est appelée gradient géothermique. La couche représentative de cette température en fonction de la profondeur est appelée le géotherme. Elle permet d’estimer la température à une profondeur donnée. Au niveau de la croute, dans les régions géologiquement calmes, en dehors des frontières de plaques, l’énergie est essentiellement transmise par conduction, avec un gradient géothermique moyenne de 30°C.km-1.(soit 3°C par 100m dans la partie superficielle de la croute Le Géotherme n’est pas uniforme au sein des différentes enveloppes du globe. terrestre  Géothermie Gradient géothermique et flux de chaleur terrestre  Géothermie Gradient géothermique et flux de chaleur terrestre  Géothermie Gradient géothermique et flux de chaleur terrestre mesures du gradient géothermique au Maroc  Géothermie Gisement Géothermal En géologie et dans le domaine de l’industrie minière ou pétrolière, un gisement est une concentration d’une ressource naturelle dans le sol ou le sous-sol que l’on peut exploiter en construisant une mine à ciel ouvert, souterraine et/ ou des puits de forage.  Géothermie Gisement Géothermal  Géothermie Gisement Géothermal C’est une zone géographique où se trouvent les conditions géologiques et économiques nécessaires à l’exploitation de l’énergie géothermique. 1Km3 de roche chaude qui refroidit seulement 20°C libère autant d’énergie thermique que la combustion de 1275000tonnes de pétrole (environ 15000 GWh) Cette énergie permettrait d’alimenter les réseaux de chauffage urbains ou de produire environ 13MW d’électricité pendant près de 20 ans.  Géothermie Types du Gisement Géothermal  Géothermie Types du Gisement Géothermal  Géothermie Types du Gisement Géothermal  Géothermie Quatre types de géothermie : Haute, Moyenne, Basse et Très Basse énergie  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface Qu’appelle-t-on Géothermie de surface ? À des profondeurs comprises entre 1 et 800 mètres, la température est généralement inférieure à 30 °C, c’est la géothermie dite de surface. Elle constitue un système énergétique composé de 3 dispositifs :  Un dispositif de Captage : permettant d’exploiter la ressource géothermique, (capteurs géothermiques) ;  Un dispositif de Production : (Pompe à Chaleur (PAC) géothermique eau/eau) permettant de transférer l’énergie thermique captée dans le sous-sol à un réseau de distribution de chaleur et/ou de froid ;  Un dispositif de Régulation : (contrôle / commande) permettant d’assurer la communication et le bon fonctionnement entre les dispositifs de Captage et de Production. La géothermie de surface représente une solution énergétique qui répond à la problématique thermique du bâtiment (Réglementations Thermiques 2012 / 2020). A l’échelle de la filière géothermie dans son ensemble, la géothermie de surface représente en 2020 plus de 85 % de la puissance calorifique installée (2 600 MW) en France.  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface Qu’appelle-t-on Géothermie de surface ?  L’ensemble de ce système permet de couvrir des besoins de chauffage, d’ECS (Eau Chaude Sanitaire), de climatisation et de rafraîchissement des bâtiments (neufs ou rénovés) et participe aux processus de déshumidification d’air, de maintien en température chaude/froide, etc.  La géothermie de surface nécessite la mise en œuvre d’équipements thermodynamiques (pompes à chaleur eau / eau, dites PAC géothermiques) qui prélèvent l’énergie à très basse température pour l’augmenter à une température suffisante afin de permettre une production de chauffage, d’ECS. Elle permet également de climatiser des bâtiments (individuels, collectifs, agricoles, industriels) au sens classique du terme, ou de les rafraîchir directement avec un système de « géocooling » (froid passif).  Une PAC géothermique est un dispositif thermodynamique qui permet une production d’énergie thermique par extraction ou injection de calories dans le milieu exploité (eaux / sous-sol). Le principe d’extraction ou d’injection des calories est assuré par le dispositif de captage de la ressource géothermique.  L’attrait fondamental de la géothermie de surface réside dans ses performances énergétiques et environnementales :  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface Qu’appelle-t-on Géothermie de surface ?  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface Qu’appelle-t-on Géothermie de surface ? Le « Géocooling » : à des profondeurs de 10 à 200 mètres, la température du sous-sol est presque systématiquement inférieure à 20 °C. La géothermie de surface offre alors la possibilité de rafraîchir directement un bâtiment grâce au « Géocooling ». Le « Géocooling » dispose d’un rendement particulièrement élevé (de 4 à 7 000 % selon les conditions, soit 40 à 70 kWh de froid fourni pour 1 kWh électrique utilisé,) du fait d’un échange direct entre fluide géothermique et fluide de rafraîchissement sans passer par un dispositif de Production. Le « TFP » ou mode Thermo Frigo Pompe : à travers un même et unique dispositif de Production (PAC géothermique eau / eau), le système dispose de la capacité à produire simultanément du chauffage et de la climatisation. Ce mode simultané appelé mode « TFP » permet de valoriser les rendements énergétiques du système (SCOP pour le chauffage et SEER pour la climatisation) en les additionnant (rendement de l’ordre de 800 à 1 200 %, soit 8 à 12 kWh de chauffage et climatisation fournis pour 1 kWh électrique utilisé).  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface QUE SIGNIFIENT LES CODES SCOP ET SEER?? La consommation énergétique (le rendement) d’une pompe à chaleur est exprimée par les coefficients SEER et SCOP. SEER ( Seasonal Energy Efficiency Ratio) est le coefficient d’efficience énergétique saisonnier du produit et définit sa classe d’énergie en mode refroidissement. SCOP ( Seasonal Coefficient Of Performance) est le coefficient de performance saisonnier et définit la classe d’énergie de la pompe à chaleur en mode chauffage. Plus les coefficients SCOP et SEER sont élevés, plus l’appareil est économique. Ces codes permettent de comparer plus facilement les performances énergétiques des différents appareils. La géothermie de surface regroupe différents dispositifs de captage. Les capteurs horizontaux, les capteurs sur nappe superficielle, sur Sondes Géothermiques Verticales (SGV), sur champ de SGV, sur géostructures (fondations thermoactives), sur eaux usées (collecteurs d’assainissement), sur STEP (conduit de refoulement des eaux de rejet épurées), sur eau de mer, sur plan d’eau.  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface La géothermie de surface constitue une solution énergétique de premier plan pour le marché de la construction, du simple bâtiment individuel jusqu’à l’écoquartier (5kW à 20 MW). Intégratrice de nouvelles technologies d’information et de communication elle peut également contribuer au développement de la ville durable. La géothermie de surface se caractérise par trois dispositifs distincts qui constituent le système de géothermie :  Le dispositif de Captage de la ressource géothermique ;  Le dispositif de Production constitué d’une pompe à chaleur géothermique (PAC) ;  Le dispositif de Régulation (contrôle / commande) constitué par le monitoring couplé à une Gestion technique centralisée (GTC).  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface  Géothermie de surface- Présentation et géostructures Géothermie de surface  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ? Une PAC géothermique est un dispositif thermodynamique qui permet une production d’énergie thermique par extraction ou injection de calories dans le milieu exploité (dispositif de captage – eaux / sous-sol). Le principe d’extraction ou d’injection des calories est assuré par le dispositif de captage de la ressource géothermique commandé par les dispositifs de production et de régulation.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ?  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ?  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ? PAC SOL-EAU EN CAPTAGE HORIZONTAL (Systèmes fermés) En captage horizontal, l'énergie est récupérée par des capteurs horizontaux enterrés à faible profondeur entre 80 et 120 cm grâce au forage géothermique. Ces capteurs récupèrent les calories présentes dans la terre, donc la chaleur du sol et entrent dans le circuit de chauffage par une pompe à chaleur. Par le moyen du fluide frigorigène, l’eau du réseau est chauffée et disponible pour le chauffage de l’habitation. L’installation d’une PAC géothermique nécessite un terrain de surface égale ou supérieure à la surface à chauffer.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ? PAC GÉOTHERMIQUE EN CAPTAGE VERTICAL (Systèmes fermés) En captage vertical, une sonde est enterrée dans un forage pouvant aller jusqu'à 100 mètres de profondeur. Cette solution est idéale pour les plus petits terrains et sera plus efficace en hiver, car les calories puisées se trouvent à des niveaux plus profonds de la terre qui sont plus chauds que les couches plus proches de la surface. Le captage vertical est plus performant que l'horizontal : la source de chaleur est stable en profondeur alors qu'à proximité de la surface, elle est sensible aux variations thermiques. La capacité d'absorption calorifique d'un capteur vertical est en moyenne de 50 W par mètre de forage. Deux sondes profondes de 50 m peuvent ainsi chauffer 120 m2 habitables. Parfois, la nature du sol oblige à tuber les sondes, augmentant ainsi le coût global de l'intervention.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ? PAC EN CAPTAGE VERTICAL DANS LA NAPPE PHRÉATIQUE (Systèmes Ouverts) Cette installation permet de puiser l’eau directement depuis la nappe phréatique grâce à des capteurs placés dans des puits. Bien qu’il soit soumis aux variations de température, ce système avec capteurs verticaux est efficace dans les régions où le gel est fréquent en hiver, car l’eau de la nappe phréatique est naturellement chaude et ne gèle pas. L’eau utilisée dans votre réseau de chauffage peut ensuite être rejetée dans un second puits pour une réinjection dans la nappe phréatique ou un réseau d’eau de pluie.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: COMMENT ÇA FONCTIONNE ? LES CORBEILLES GÉOTHERMIQUES, UNE ALTERNATIVE À DÉCOUVRIR Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur : - Soutire de la chaleur d’une « source froide » (sol, air extérieur…), N Augmente son niveau de température, - Restitue cette chaleur à une température plus élevée.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: LES TYPES DES PAC ?  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pompe à chaleur géothermique: LES PRIX ? La puissance et le fonctionnement sont les principaux paramètres qui influencent le coût de votre projet de pompe à chaleur eau-eau. Toutefois, il est nécessaire de déterminer d’autres éléments afin d’affiner votre budget : La profondeur des forages Le type de circuit de captage L’état et le type des émetteurs  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Différents systèmes pour différentes applications Les installations géothermiques varient en termes de: Profondeur, Puissance, extractible, Types de fonctionnement (systèmes ouverts ou fermés), Applications (chauffage, refroidissement, stockage production d’électricité), Cout d’investissement  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur géothermique? Lorsque le système est bien dimensionné, le sol fournit une température de l’eau relativement constante tout au long de l’année  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur géothermique? Lorsque le système est bien dimensionné, le sol fournit une température de l’eau relativement constante tout au long de l’année, Le sol peut fonctionner comme source froide (en hiver, pour le chauffage) ou comme source chaude (en été, pour le refroidissement).  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur géothermique? Le sol fonctionne donc comme un stockage de chaleur au fil des saisons:  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pourquoi une pompe à chaleur géothermique est-elle efficace?  Le coefficient de performance (COP) est le quotient de la chaleur produite par le travail fourni. Il définit l’efficacité d’une pompe à chaleur.  Grâce à une température relativement constante au fil des saisons (froid en été et chaud en hiver), les pompes à chaleur géothermiques permettent d’atteindre des coefficients de performance élevé (COP>5)  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Pourquoi une pompe à chaleur géothermique est-elle efficace? Exemple de Saint-Ghislain, Forage à 2400m, débit de 100m3/h, température 72°C La Puissance de la centrale 15 MW qui correspond à une Energie annuelle: 16700 MWh.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Qu’est-ce-qu’une pompe à chaleur peut apporter aux particuliers ? Une pompe à chaleur est capable de produire : Du chaud : des calories sont puisées dans le milieu extérieur et transmises dans le milieu intérieur. Du froid : des calories sont puisées dans le bâtiment et transmises au sol. De l’eau chaude sanitaire : les calories puisées dans le milieu extérieur peuvent également assurées le préchauffage de l’eau chaude sanitaire. Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur ? Une pompe à chaleur a de nombreux avantages tant d’un point de vue environnemental qu’économique : Energie renouvelable et inépuisable : la Terre libère continuellement de la chaleur et le soleil réchauffe constamment la surface de la Terre. Locale : l’énergie est utilisée à l’endroit où elle est produite sans aucun transport. Non polluante : les seuls rejets en CO2 correspondent à la production d’électricité nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur.  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur ? Disponible 24h sur 24 : à partir d’une certaine profondeur (environ 10/15 m), la température est constante quel que soit les saisons et peut donc être utilisée toute l’année. Généralisable : plus de 90% du territoire français est propice à la mise en œuvre de la géothermie assistée par pompe à chaleur. Performant : le coefficient de performance est en moyenne de 4 (varie entre 3,5 et 6) avec une classe énergétique A++. Économique : coûts de maintenance très faibles. Visuel : le captage géothermique n’est pas visible de l’extérieur donc il n’y a aucun impact sur le paysage. Cela fait de la pompe à chaleur géothermique une solution de chauffage idéale. Elle permet en effet la production de chaud et de froid ainsi que d’eau chaude sanitaire et tout cela à un coût raisonnable et en respectant l’environnement. Ainsi, entre 75 et 83% d’énergie gratuite sont utilisées grâce à la chaleur du sol. Il ne reste alors que 17 à 25% d’énergie électrique à consommer !  Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur ?  Disponible 24h sur 24 à partir d’une profondeur de 10m  Généralisable sur tous les territoires  Performant  Ecologique  Économique en terme de maintenance  Aucun impact sur le paysage extérieure  Dispose d’un rendement particulièrement élevé (de 4 à 7 000 % selon les conditions, soit 40 à 70 kWh de froid fourni pour 1 kWh électrique utilisé)  Rendement de l’ordre de 800 à 1 200 %, soit 8 à 12 kWh de chauffage et climatisation fournis pour 1 kWh électrique utilisé). Géothermie de surface- Capteurs enterrés et PAC  Géothermie de surface- Les systemes aquiferes Aquifères superficiels Un aquifère est un corps (couche, massif) de roches perméables comportant une zone saturée suffisamment conductrice d'eau souterraine pour permettre l'écoulement significatif d'une nappe souterraine et le captage de quantité d'eau appréciable. Un aquifère peut comporter une zone non saturée (définition de Margat et Castany). L'aquifère est homogène quand il a une perméabilité d'interstices (sables, graviers); la vitesse de percolation y est lente. Il est hétérogène avec une perméabilité de fissures (granite, calcaire karstique) ; la vitesse de percolation est plus rapide.  Géothermie de surface- Les systemes aquiferes Aquifères superficiels Un réseau de piézomètres automatiques permet de connaitre le niveau de l’eau, c’est-à-dire la profondeur relative de l’eau dans la roche réservoir par des forages en différents points du département. Un aquifère est à la fois un réservoir et un conducteur d'eau. La quantité d'eau qu'il emmagasine (réserve) et le débit qu'il écoule dépendent autant de ses dimensions (étendue, volume) que de la porosité et de la perméabilité des roches qui le composent. Sa capacité de stockage dépend de son volume et de la porosité efficace, tandis que son aptitude à transmettre le flux d'eau dépend de son épaisseur et de sa perméabilité. Certains niveaux calcaires de jurassique supérieur = MALM Les niveaux calcaires du jurassique moyen = DOGGER Parmi les niveaux les plus anciens du jurassique = LIAS Les niveaux de l’ère primaire = SOCLE  Géothermie de surface- Les systemes aquiferes Aquifères superficiels Il est possible d'évaluer la vitesse de transfert de l'eau par utilisation d'un marqueur radio-actif. Les composnates radio-actif sont induite dans les pluies et des analyses systématiques de la teneur en Tritium des précipitations et de l'eau des sources d'une même région permettent d'obtenir une évaluation plus précise. La figure à côté illustre les trois principales échelles de porosité et de perméabilité d'aquifère calcaire et l'ordre de grandeur de la vitesse d'écoulement de l'eau en situation de nappe libre.  Géothermie de surface- Les systemes aquiferes Aquifères superficiels Aquifère poreux homogène – Cas des fluides non miscibles Aquifère poreux homogène Les grands aquifères à l'échelle mondiale sont de véritables mines d'eau souterraine. Dans les parcours terrestres du cycle de l'eau, ils jouent un rôle primordial comme régulateurs. Sans eux, les écoulements naturels seraient aussi irréguliers que les précipitations et aucune ressource d'eau permanente n'existerait. Les nappes libres sont de bien meilleures régulateurs puisque le niveau piézométrique, et donc le volume de l'eau contenue, peut varier.  Géothermie de surface- Les systemes aquiferes Aquifères superficiels Ces grands stocks d'eau souterraine peuvent être considérées comme des ressources renouvelables ou non renouvelables selon leur approvisionnement actuel, l'intensité des prélèvements et leur taux moyen anuel de renouvellement qui est très lent.  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Stockage souterrain d'énergie Les cavités souterraines et les aquifères peuvent stocker d'importants volumes d'énergie (gaz, air comprimé, hydrogène ou chaleur). Ces différentes techniques permettent un stockage journalier ou inter-saisonnier, à l'échelle locale ou nationale. L'augmentation de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraîne des besoins de pilotage de cette production irrégulière. Parmi les différentes technologies de stockage étudiées aujourd'hui, le stockage souterrain affiche de nombreux atouts (grands volumes, isolation thermique…).  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) Une STEP est constituée de deux réservoirs d’eau situés à des altitudes différentes. En période de pointe, on fait turbiner l’eau du réservoir haut vers le réservoir bas, puis celle-ci est remontée par pompage en période creuse. Lorsque les deux réservoirs sont situés en surface, il s’agit de STEP conventionnelles qui représentent actuellement près de 99% des stockages d’énergie installés dans le monde. Dans ce mode de stockage, le coût du creusement du réservoir souterrain est élevé, d’où l’idée d’utiliser des cavités souterraines existantes (mines, carrières, tunnels). Des projets sont ainsi en cours d’étude en Allemagne et aux États-Unis (Madlener et Specht, 2013).  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) Schéma de principe de l’utilisation d'anciennes cavités souterraines comme STEP semi-souterraine (a) et souterraine (b)  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Stockage d’énergie thermique Il s’agit ici de stocker temporairement dans le sous-sol de l’énergie thermique (chaleur ou froid) produite par l’homme, en vue d’une réutilisation ultérieure. Le cyclage est généralement saisonnier principe : la chaleur est stockée en été pour être réutilisée en hiver. Pour que ce type de stockage soit rentable, il faut disposer d’une source d’énergie thermique gratuite, dite « fatale ». On peut stocker cette énergie en utilisant la capacité thermique des roches (pieux ou sondes géothermiques) ou de l’eau souterraine (Figure) : ce cas correspond au Stockage d’Énergie Thermique en Aquifère (SETA) ou en Cavité (SETC). Cavité souterraine de Lyckebo en Suède Schéma de principe d’un SETA  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Stockage d’énergie thermique On peut donc logiquement imaginer que celui-ci puisse servir de source naturelle de froid. Il suffirait qu’un réseau véhiculant un fluide caloporteur le parcoure pour produire de l’eau à température adéquate pour refroidir un bâtiment. On appelle cela du “géocooling”. De même, une température de 10.. 12 °C plus élevée et plus stable que la température extérieure hivernale est une température intéressante pour servir de source froide à une pompe à chaleur, en l’occurrence sol/eau, pour chauffer le bâtiment en hiver. On parle alors de “géothermie”.  Géothermie de surface- Stockage thermique souterrain Stockage d’énergie thermique Refroidissement en été et chauffage en hiver vont d’ailleurs souvent de pair. En effet, si en été on extrait du “froid” du sol, ce dernier se réchauffe progressivement. Si cette opération se répète d’année en année, sans autre perturbation, le sol verra sa température moyenne augmenter jusqu’à ne plus être exploitable. Dès lors pour éviter ce phénomène, il s’agit de régénérer le sol chaque hiver en extrayant la chaleur accumulée en été grâce à une pompe à chaleur. On parle alors de “STOCKAGE GEOTHERMIQUE” : la chaleur du bâtiment est transférée dans le sol en été quand elle est gênante pour être utilisée en hiver quand elle est nécessaire.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Il existe deux méthodes pour produire de l’électricité grâce à la chaleur du sous-sol : soit directement en turbinant de la vapeur géothermale dans une centrale appelée « Centrale flash », soit par l’intermédiaire d’un fluide organique évoluant en circuit fermé dans une centrale dite « ORC ».  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Les centrales flash La chaleur terrestre n’est pas exploitable partout de la même façon. Dans les zones volcaniques, la chaleur du centre de la Terre remonte et réchauffe de gigantesques poches d’eau. Ce fluide sous pression et chargé en minéraux est extrait par forage. Lors de sa remontée dans le puits il perd de la pression et arrive à la surface sous forme d’un mélange d’eau et de vapeur. L’eau et la vapeur sont séparées dans un séparateur- sécheur. La vapeur est ensuite envoyée directement dans une turbine couplée à un alternateur qui produit ainsi de l’électricité. À la sortie de la turbine, la vapeur détendue est condensée et réinjectée avec l’eau séparée dans le réservoir géothermique. La puissance électrique moyenne de ces centrales géothermiques varie de 15 à 50 MW.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Les centrales ORC Lorsque la température du fluide géothermal est moins importante (c’est-à-dire entre 90 °C et 150 °C), on utilise des centrales utilisant un fluide intermédiaire. Dans une centrale ORC (Organic Rankine Cycle), le fluide géothermal est maintenu sous pression puis est amené dans un échangeur de chaleur où il cède son énergie à un fluide organique (par exemple l’isobutane) qui peut se vaporiser à faible pression et température. La vapeur produite est ensuite turbinée puis condensée et revient à l’état liquide, puis est pompée et retourne à l’échangeur de chaleur pour Le fluide géothermal refroidi après son passage dans l’échangeur effectuer un nouveau cycle en circuit fermé. La turbine est de chaleur est réinjecté dans le sous-sol dans le puits d’origine par couplée à un alternateur pour produire de l’électricité. un second forage.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité ÉTAT DE LA SITUATION La géothermie haute température s’est bien développée. Un peu plus de 500 centrales ont déjà été construites dans le monde permettent d’alimenter en électricité plusieurs dizaines de millions de personnes. Aujourd’hui, plus de 50 pays (États-Unis, Islande, Mexique, etc.) utilisent l’énergie géothermique profonde sous forme de vapeur ou d’eau surchauffée pour produire de l’électricité. En 2015, la puissance installée mondiale était de 12,6 GW avec une production d’énergie de 73,5 TWh. Les États-Unis sont les premiers du monde pour la production d’électricité à partir de la vapeur géothermique. En 2015, leur puissance installée était de 3,45 GW et leur production d’énergie, de 16,6 TWh. En 2020, leur puissance installée pourrait s’élever à 5,6 GW Dans l’est des États-Unis, le potentiel de production d’énergie électrique à partir de roches chaudes profondes est estimé à 500 GW, soit l’équivalent du total de la puissance installée actuelle du pays.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Statistiques mondiales Chaleur: 252 millions de tonnes de tonnes de CO2 évités  En 2018, 284 TWh de chaleur géothermique ont été mis à disposition dans 88 pays selon l’IGA (International Geothermal Association).  En 2018, la production de chaleur d’origine géothermique a remplacé plus de 81 millions de tonnes de pétrole et réduit les émissions de CO2 dans l’atmosphère d’environ 252 millions de tonnes. Électricité: 29 pays produisent de l’électricité géothermique  En 2018, un total de 94 TWh d’électricité géothermique ont été produites dans 29 pays.  Cela correspond à environ quatre fois la production annuelle des centrales nucléaires en Suisse.  L’Indonésie, le Kenya et la Turquie ont fortement augmentés leur production ces dernières années.  Géothermie de surface- Production d’électricité Statistiques mondiales Production mondiale de chaleur géothermique Production mondiale d'électricité géothermique (Review 2015-2020) (2015-2020) Pays en tête Production de chaleur Pays en tête Production d'électricité (MWh/an) (MWh/an) Chine 123'192'222 Etats-Unis 18'366'000 Etats-Unis 42'447'083 Indonésie 15'315'000 Suède 17'333'333 Kenya 9'930'000 Turquie 15'162'222 Philippines 9'893'000 Islande 9'332'778 Turquie 8'168'000 Japon 8'534'242 Nouvelle-Zélande 7'728'000 Allemagne 8'094'067 Italie 6'100'000 Finlande 6'500'000 Islande 6'010'000 France 4'799'899 Mexique 5'375'000 Canada 4'031'111 Japon 2'409'000 Suisse 4'009'100  L’avenir de la géothermie au Maroc  Depuis 2012, l’ONHYM (Office National des Hydrocarbures et des Mines) a inscrit le projet de géothermie dans ses programmes de recherche, afin de chercher des zones potentielles dans les sites jugés favorables. Pour ce faire, plus de 1.500 points d’eau ont été inventoriés et intégrés.  La synthèse des potentialités géothermiques du Maroc a permis de mettre en évidence un potentiel géothermique important. Deux zones potentielles ont été ciblées : le nord et l’Oriental ainsi que les bassins de Tarfaya– Laâyoune–Dakhla.  L’avenir de la géothermie au Maroc  Le comité technique de la géothermie piloté par l’ ONHYM est chargé de dresser une feuille de route des potentialités de développement de la géothermie au Maroc dans les différents domaines, notamment le tourisme, l’agriculture, la production d’électricité.  Il est à signaler que le département de l’Énergie et des Mines est en train d’élaborer un texte réglementaire relatif à la géothermie. L’objectif est de développer les domaines de l’exploration et de la recherche géothermiques du Royaume.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Types de technologies : Il existe plusieurs types de centrales géothermiques. Centrale géothermique à vapeur sèche Centrale géothermique à vapeur humide Le fluide géothermal se présente sous forme de vapeur Le fluide géothermal se présente sous forme de vapeur sèche pressurisée et surchauffée à une température humide pressurisée à T > 180 °C. La vapeur saturée pouvant aller de 180 à plus de 350 °C. Il fait tourner la sèche, séparée de la vapeur humide dans un ou deux turbine d’une centrale fonctionnant selon le cycle de réservoirs de détente, fait tourner la turbine d’une Rankine, tandis que l’eau refroidie résultante est injectée centrale fonctionnant selon le cycle de Rankine. L’eau dans le réservoir géothermique. refroidie résultante est injectée dans le réservoir géothermique. Il s’agit d’une centrale géothermique à simple ou double détente.  Géothermie de surface- Production d’électricité La géothermie pour produire de l'électricité Types de technologies : Il existe plusieurs types de centrales géothermiques. Centrale géothermique hydrothermale Centrale de géothermie profonde stimulée SGS1 Le fluide géothermal se présente sous Le fluide géothermal se présente sous forme de liquide réchauffé au forme d’eau chaude pressurisée à une contact de roches chaudes à une température supérieure à 150 °C. Pour température pouvant aller de 125 à 180 °C. accéder à l’énergie thermique des roches chaudes, il faut procéder par Pour convertir efficacement en électricité la fracturation hydraulique, soit créer des fissures dans la roche par chaleur récupérée à ce niveau de injection d’eau sous haute pression, afin de permettre au fluide de température, il faut que la centrale circuler dans le réservoir géothermique. Une partie du fluide géothermique soit à cycle binaire. géothermal pourrait être utilisée comme source de chaleur dans des systèmes géothermiques de chauffage urbain ou industriel. Contrairement à l’éolien, au solaire ou encore à l’hydraulique, la géothermie reste une énergie renouvelable peu connue et mal définie. Prof. AIT HSSAIN Mustapha