La géothermie et son utilisation, perspectives de la géothermie

Il y a une énorme énergie thermique à l'intérieur de la Terre. Les estimations ici sont encore assez différentes, mais selon les estimations les plus conservatrices, si nous nous limitons à une profondeur de 3 km, alors 8 x 1017 kJ d'énergie géothermique. Dans le même temps, l'ampleur de son application réelle dans notre pays et dans le monde est insignifiante. Quel est l'enjeu et quelles sont les perspectives d'utilisation de la géothermie ?

L'énergie géothermique est l'énergie de la chaleur de la Terre. L'énergie libérée par la chaleur naturelle de la Terre est appelée énergie géothermique. En tant que source d'énergie, la chaleur de la Terre, combinée aux technologies existantes, peut répondre aux besoins de l'humanité pendant de nombreuses années. Et cela ne touche même pas à la chaleur qui coule trop profondément, dans des zones jusqu'alors inaccessibles.

Depuis des millions d'années, cette chaleur est dégagée des entrailles de notre planète, et la vitesse de refroidissement du noyau ne dépasse pas 400°C par milliard d'années ! Dans le même temps, la température du noyau terrestre, selon diverses sources, n'est actuellement pas inférieure à 6650 ° C et diminue progressivement vers sa surface. 42 000 milliards de watts de chaleur sont constamment émis par la Terre, dont seulement 2 % dans la croûte terrestre.

L'énergie thermique interne de la Terre se manifeste de temps en temps de manière menaçante sous la forme d'éruptions de milliers de volcans, de tremblements de terre, de mouvements de la croûte terrestre et d'autres processus naturels moins perceptibles, mais non moins globaux.

Le point de vue scientifique sur les causes de ce phénomène est que l'origine de la chaleur de la Terre est liée au processus continu de désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du potassium à l'intérieur de la planète, ainsi qu'à la séparation gravitationnelle de la matière en son coeur.

La couche granitique de la croûte terrestre, à 20 000 mètres de profondeur, est la principale zone de désintégration radioactive des continents, et pour les océans, le manteau supérieur est la couche la plus active. Les scientifiques pensent que sur les continents, à une profondeur d'environ 10 000 mètres, la température au fond de la croûte terrestre est d'environ 700°C, alors que dans les océans la température n'atteint que 200°C.

Deux pour cent de l'énergie géothermique dans la croûte terrestre est une constante de 840 milliards de watts, et c'est une énergie technologiquement accessible. Les meilleurs endroits pour extraire cette énergie sont les zones proches des bords des plaques continentales, où la croûte est beaucoup plus mince, et les zones d'activité sismique et volcanique, où la chaleur de la terre se manifeste très près de la surface.

Où et sous quelle forme se produit l'énergie géothermique ?

Actuellement, le développement de l'énergie géothermique est activement engagé dans: les États-Unis, l'Islande, la Nouvelle-Zélande, les Philippines, l'Italie, le Salvador, la Hongrie, le Japon, la Russie, le Mexique, le Kenya et d'autres pays, où la chaleur des entrailles de la planète remonte à la surface sous forme de vapeur et d'eau chaude, sortant, à des températures atteignant 300 ° C.

Les célèbres geysers d'Islande et du Kamchatka, ainsi que le célèbre parc national de Yellowstone, situé dans les États américains du Wyoming, du Montana et de l'Idaho, couvrant une superficie de près de 9 000 kilomètres carrés, peuvent être cités comme exemples frappants.

Lorsqu'on parle d'énergie géothermique, il est très important de se rappeler qu'elle est majoritairement à faible potentiel, c'est-à-dire que la température de l'eau ou de la vapeur sortant du puits n'est pas élevée. Et cela affecte considérablement l'efficacité de l'utilisation de cette énergie.

Le fait est que pour la production d'électricité aujourd'hui, il est économiquement avantageux que la température du liquide de refroidissement soit d'au moins 150 ° C. Dans ce cas, il est envoyé directement à la turbine.

Il existe des installations qui utilisent de l'eau à une température plus basse. En eux, l'eau géothermique chauffe le liquide de refroidissement secondaire (par exemple, le fréon), qui a un point d'ébullition bas. La vapeur générée fait tourner la turbine. Mais la capacité de telles installations est faible (10 - 100 kW) et le coût de l'énergie sera donc plus élevé que dans les centrales électriques utilisant de l'eau à haute température.

GeoPP en Nouvelle-Zélande

Les gisements géothermiques sont des roches poreuses remplies d'eau chaude. Ce sont essentiellement des chaudières géothermiques naturelles.

Mais que se passe-t-il si l'eau dépensée à la surface de la terre n'est pas jetée, mais renvoyée à la chaudière ? Créer un système de circulation? Dans ce cas, non seulement la chaleur de l'eau thermale, mais aussi les roches environnantes seront utilisées. Un tel système augmentera son nombre total de 4 à 5 fois. Le problème de la pollution de l'environnement par l'eau salée est supprimé, car il revient à l'horizon souterrain.

Sous forme d'eau chaude ou de vapeur, la chaleur est transmise à la surface, où elle est utilisée soit directement pour chauffer les bâtiments et les maisons, soit pour produire de l'électricité. La chaleur de surface de la Terre, qui est généralement atteinte en forant des puits, où le gradient augmente de 1 °C tous les 36 mètres, est également utile.

Pour absorber cette chaleur, ils utilisent pompes à chaleur… L'eau chaude et la vapeur sont utilisées pour produire de l'électricité et pour le chauffage direct, et la chaleur concentrée en profondeur en l'absence d'eau est convertie en une forme utile par des pompes à chaleur. L'énergie du magma et la chaleur qui s'accumule sous les volcans sont extraites de manière similaire.

En général, il existe un certain nombre de méthodes standard pour générer de l'électricité dans les centrales géothermiques, mais encore une fois soit directement, soit dans un schéma de type pompe à chaleur.

Dans le cas le plus simple, la vapeur est simplement dirigée à travers une canalisation vers la turbine d'un générateur électrique. Dans un schéma complexe, la vapeur est pré-purifiée afin que les substances dissoutes ne détruisent pas les tuyaux. Dans un schéma mixte, les gaz dissous dans l'eau sont éliminés après condensation de la vapeur dans l'eau.

Enfin, il existe un schéma binaire où un autre liquide à bas point d'ébullition (schéma d'échangeur de chaleur) agit comme un fluide caloporteur (pour prélever de la chaleur et faire tourner la turbine du générateur).

Les plus prometteuses sont les pompes à chaleur à absorption sous vide à eau et chlorure de lithium. Les premiers augmentent la température de l'eau thermale en raison de la consommation d'électricité dans la pompe à eau à vide.

L'eau de puits à une température de 60 à 90 ° C entre dans l'évaporateur sous vide. La vapeur générée est comprimée par un turbocompresseur. La pression est sélectionnée en fonction de la température de liquide de refroidissement requise.

Si l'eau va directement au système de chauffage, elle est alors de 90 à 95 ° C, si aux réseaux de chauffage, alors 120 à 140 ° C. Dans le condenseur, la vapeur condensée cède sa chaleur à l'eau circulant dans le chauffage urbain réseaux, chauffage et eau chaude .

Quelles sont les autres options pour augmenter l'utilisation de l'énergie géothermique ?

L'une des orientations est liée à l'utilisation de gisements de pétrole et de gaz largement épuisés.

Comme vous le savez, la production de cette matière première dans les anciens champs est réalisée par la méthode de l'inondation d'eau, c'est-à-dire que l'eau est pompée dans les puits, ce qui déplace le pétrole et le gaz des pores du réservoir.

Au fur et à mesure de l'épuisement, les réservoirs poreux se remplissent d'eau, qui acquiert la température des roches environnantes, et ainsi les gisements se transforment en une chaudière géothermique, à partir de laquelle il est possible simultanément d'extraire du pétrole et d'obtenir de l'eau pour le chauffage.

Bien sûr, des puits supplémentaires doivent être forés et un système de circulation créé, mais cela reviendra beaucoup moins cher que de développer un nouveau champ géothermique.

Une autre option consiste à extraire la chaleur des roches sèches en formant des zones perméables artificielles. L'essence de la méthode est de créer de la porosité en utilisant des explosions dans des roches sèches.

L'extraction de la chaleur de tels systèmes s'effectue comme suit: deux puits sont forés à une certaine distance l'un de l'autre. L'eau est pompée dans l'un, qui, se déplaçant vers le second à travers les pores et les fissures formés, élimine la chaleur des roches, se réchauffe puis remonte à la surface.

De tels systèmes expérimentaux fonctionnent déjà aux États-Unis et en Angleterre. À Los Alamos (États-Unis), deux puits, l'un d'une profondeur de 2 700 m et l'autre de 2 300 m, sont reliés par fracturation hydraulique et remplis d'eau en circulation chauffée à une température de 185 ° C. En Angleterre, dans le Rosemenius carrière, l'eau est chauffée à 80 °C.

Centrale géothermique

La chaleur de la planète comme ressource énergétique

Près de la ville italienne de Larederello passe un chemin de fer électrique alimenté par de la vapeur sèche provenant d'un puits. Le système fonctionne depuis 1904.

Les champs de geysers au Japon et à San Francisco sont deux autres endroits célèbres dans le monde qui utilisent également de la vapeur sèche et chaude pour produire de l'électricité. Quant à la vapeur humide, ses champs les plus étendus se trouvent en Nouvelle-Zélande, et de plus petite superficie - au Japon, en Russie, au Salvador, au Mexique, au Nicaragua.

Si l'on considère la chaleur géothermique comme une ressource énergétique, ses réserves sont des dizaines de milliards de fois supérieures à la consommation énergétique annuelle de l'humanité dans le monde.

Seulement 1 % de l'énergie thermique de la croûte terrestre, prélevée à une profondeur de 10 000 mètres, suffirait à recouvrir des centaines de fois les réserves de combustibles fossiles, tels que le pétrole et le gaz, produits en permanence par l'homme, entraînant un épuisement irréversible de du sous-sol et de la pollution de l'environnement.

Cela est dû à des raisons économiques. Mais les centrales géothermiques ont des émissions de dioxyde de carbone très modérées, environ 122 kg par mégawattheure d'électricité produite, ce qui est nettement inférieur aux émissions de la production d'électricité à partir de combustibles fossiles.

GéoPE industrielle et perspectives de la géothermie

Le premier géoPE industriel d'une capacité de 7,5 MW a été construit en 1916 en Italie. Depuis lors, une expérience inestimable a été accumulée.

En 1975, la capacité totale installée de GeoPP dans le monde était de 1278 MW, et en 1990, elle était déjà de 7300 MW. Les plus grands volumes de développement de l'énergie géothermique se trouvent aux États-Unis, au Mexique, au Japon, aux Philippines et en Italie.

Le premier géoPE sur le territoire de l'URSS a été construit au Kamtchatka en 1966, sa capacité est de 12 MW.

Depuis 2003, la centrale électrique géographique de Mutnovskaya fonctionne en Russie, dont la puissance est maintenant de 50 MW - c'est la centrale géoélectrique la plus puissante de Russie à l'heure actuelle.

Le plus grand GeoPP au monde est Olkaria IV au Kenya, avec une capacité de 140 MW.

À l'avenir, il est très probable que l'énergie thermique du magma sera utilisée dans les régions de la planète où elle n'est pas trop profonde sous la surface de la Terre, ainsi que l'énergie thermique des roches cristallines chauffées, lorsque l'eau froide est pompée dans un trou foré à une profondeur de plusieurs kilomètres et l'eau chaude est renvoyée à la surface ou à la vapeur, après quoi elle est chauffée ou produit de l'électricité.

La question se pose : pourquoi y a-t-il actuellement si peu de projets achevés utilisant l'énergie géothermique ? Tout d'abord, parce qu'ils sont situés dans des endroits favorables, où l'eau se déverse à la surface de la terre ou se trouve très peu profonde. Dans de tels cas, il n'est pas nécessaire de forer des puits profonds, qui sont la partie la plus coûteuse du développement de l'énergie géothermique.

L'utilisation des eaux thermales pour l'approvisionnement en chaleur est beaucoup plus importante que pour la production d'électricité, mais elles sont encore faibles et ne jouent pas un rôle significatif dans le secteur de l'énergie.

L'énergie thermique n'en est qu'à ses débuts et les recherches actuelles, les travaux expérimentaux-industriels devraient donner une réponse à l'ampleur de son développement ultérieur.