Haute énergie

Géothermie – Haute énergie

 

La géothermie profonde des réservoirs fracturés (EGS)

 

La géothermie profonde des réservoirs fracturés, encore appelée principe des Systèmes Géothermiques Stimulés (en anglais EGS pour « Enhanced Geothermal Systems »), vise à capter des fluides géothermaux présents dans des réservoirs naturellement fracturés. De tels réservoirs ne peuvent exister qu’à la faveur de failles naturellement présentes dans le sous-sol. En effet, même si les terrains du sous-sol ont une perméabilité pratiquement nulle, ils sont rendus localement perméables grâce aux zones faillées créées par les mouvements tectoniques qui ont pu les affecter tout au long de leur histoire géologique.

Le but n’est donc pas de fracturer la roche encaissante, mais de capter l’eau déjà présente dans les fractures du sous-sol en profitant de la perméabilité et des circulations naturelles présentes dans le réseau de failles déjà existantes. Les eaux géothermales jouent ainsi le rôle de fluides caloporteurs. Une bonne circulation de ces eaux géothermales est donc essentielle pour permettre leur remontée, via des boucles convectives au sein même de ce réseau de failles, et ainsi autoriser une exploitation de la ressource géothermique à des profondeurs acceptables. Dans un tel milieu, l’intensité de fracturation, les conditions tectoniques locales (champs des contraintes), la dureté des terrains et l’historique des dépôts laissés par les échanges jouent donc un rôle capital pour présenter des caractéristiques géothermiques intéressantes. En effet, la densité des fractures, leurs ouvertures et leurs interconnexions doivent être suffisantes pour présenter un contexte favorable à une exploitation géothermique économiquement viable.

L’eau chaude naturellement présente dans la roche entre 3000 et 5000 m de profondeur est pompée par le ou les puits de production, valorisée en surface puis re-pompée par le puits de réinjection dans le massif rocheux. Origine : BRGM

Figure : Exemple de Soultz-sous-Forêts.
L’eau chaude naturellement présente dans la roche entre 3000 et 5000 m
de profondeur est pompée par le ou les puits de production, valorisée en
surface puis re-pompée par le puits de réinjection dans le massif rocheux.
Origine : BRGM

Toutefois, tout comme dans le cas des projets géothermiques basse énergie, dits classiques, qui visent à capter de l’eau géothermale présente dans les couches sédimentaires perméables (i.e. Dogger en région Parisienne), des stimulations hydraulico-chimiques (par solutions acides) peuvent être mises en œuvre afin de dissoudre les précipitations minérales autour du puits profond dans le but d’améliorer la connectivité des forages au réservoir naturel. Les volumes et les pressions d’injection sont nettement moindres que celles utilisées dans des projets expérimentaux réalisés dans la technologie par fracturation hydraulique massive. Ces derniers projets, autrefois appelés HDR (hot dry rock), ont pris aujourd’hui également l’acronyme d’EGS, ce qui ne manque pas de semer quelques confusions dans certains cas..

Dans le cas de géothermie EGS sur réservoir naturel fracturé, les caractéristiques de stimulations hydraulico-chimiques ne nécessitent que des pressions d’injection permettant de pousser dans les fractures existantes le mélange d’acides qui se neutralise au contact des minéraux qu’il dissout. Ces injections chimiques sont de faibles amplitudes et donc sans incidence sur les populations avoisinantes.

Pour être industriellement exploitable, ces ressources géothermiques doivent posséder les trois conditions suivantes :

  • Elles doivent atteindre, à des profondeurs qui ne soient pas excessives, des températures suffisamment élevées, à définir selon les besoins de l’exploitant.
  • Elles doivent produire avec un débit suffisamment élevé à définir, là encore, selon les besoins de l’exploitant.
  • Elles doivent pouvoir produire l’eau géothermale durablement (environ 20 ans).

La recherche de ressources géothermiques profonde dans les réservoirs fracturés impose donc un placement judicieux de la plate-forme en surface pour atteindre un contexte géologique favorable, susceptible de receler des ressources géothermales. De plus, comme le pompage de ces eaux géothermales est en général nécessaire pour transférer vers la surface l’énergie thermique présente en profondeur, les conditions de surface doivent permettre le déploiement d’une plate-forme de forage à un emplacement qui ne soit pas trop éloigné de la zone d’exploitation.

Pour ce type de projet, une centrale géothermique fonctionnant selon le principe du doublet est privilégiée. L’eau géothermale, pompée en surface à travers le puits de production, est ensuite valorisée directement en chaleur par production de vapeur et/ou d’eau chaude ou en électricité via une centrale fonctionnant avec un cycle organique de Rankine. Dans ce dernier cas, c’est un cycle thermodynamique qui utilise en circuit fermé un fluide organique qui se vaporise à une température inférieure à 0°C à pression atmosphérique. Ce fluide organique vaporisé par l’eau géothermale via un échangeur de chaleur est ensuite détendue à travers une turbine qui entraîne une génératrice et fournit de l’électricité au réseau. Le fluide refroidi est ensuite rejetée à une température comprise entre 50 °C et 80 °C, selon l’utilisation qui sera faite de la boucle géothermique, au moyen d’un second puits, dit de réinjection, dans le réservoir fracturé exploité.

Prochainement, une autre étape devrait être franchie avec la récupération de la chaleur résiduelle pour des applications agroalimentaires ; on parlera alors de centrale géothermique à cogénération. Plusieurs projets sont sur les rangs tels que le séchage de céréales, le séchage de boues de station d’épuration, le chauffage de serres, la pisciculture, etc…).

Figure : Schéma projet Soultz Les différentes possibilités de récupération de l'énergie http://www.geothermie-soultz.fr

Figure : Schéma projet Soultz
Les différentes possibilités de récupération de l’énergie
http://www.geothermie-soultz.fr

La géothermie en zone volcanique

 

Généralement, la température augmente avec la profondeur dans la croûte terrestre. Ce gradient géothermique dépend pour beaucoup du contexte local comme la présence de boucles de convections circulant au sein d’un réservoir fracturé ou encore, en contexte volcanique, de la proximité de roche en fusion.

Ces zones où la température est beaucoup plus forte peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés à de faibles profondeurs. Ces anomalies sont notamment observées dans les régions volcaniques. En géothermie, elles sont désignées comme des gisements de haute températures ou haute enthalpie, et utilisées pour fournir de l’énergie, la température élevée du gisement (supérieur à 150 °C) permettant la production d’électricité.

Dans un contexte volcanique comme dans les trois départements d’outre-mer de Guadeloupe, de Martinique et de La Réunion, l’eau de pluie et l’eau de mer, infiltrée dans le sous-sol par des fissures rocheuses, se réchauffent en profondeur au contact des roches volcaniques fracturées. Par exemple à Bouillante en Guadeloupe, le fluide géothermal résultant de ces phénomènes, atteint une température de l’ordre de 260 °C à une profondeur d’environ 1000 m. Les forages réalisés, remontent en surface le fluide géothermal dont est extraite la vapeur, qui alimente directement un groupe turbo-alternateur produisant de l’électricité. La production électrique de la centrale est alors dirigée vers le réseau de distribution électrique.

Ce type de centrales, encore appelées 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. 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. La phase vapeur contient généralement une quantité significative de gaz non condensables qu’il faut extraire si l’on veut condenser l’eau en sortie de turbine.

En Guadeloupe, la seule référence française en matière de géothermie haute température se situe à Bouillante, non loin du volcan guadeloupéen de la Soufrière. Il a été réalisé en 1984 un premier forage d’une profondeur de 300 mètres sur la base duquel l’installation d’une centrale de 5 MW a été décidée. Très proches de ce site, trois nouveaux puits de production plus profonds (1 km en moyenne) ont été mis en service en 2001 et une centrale, construite en 2003 (Bouillante 2), a permis l’installation, à fin 2004, d’une centrale de 11 MW. Ce nouvel apport d’énergie couvre en régime nominal de fonctionnement environ 10% des besoins annuels en électricité de l’île.

Figure : Schéma du réservoir de Bouillante (origine BRGM)

Figure : Schéma du réservoir de Bouillante (origine BRGM)