Soultz-sous-forêts - Sur le terrain
Géothermie.
Soultz sous forêts a été choisi comme site d'étude de l’exploitation de la géothermie profonde par stimulation. Cette centrale pilote de production d'électricité a été mise en service le 13 juin 2008.
Adresse du site : http://www.geothermie-soultz.fr/
Particularités géologiques du site.
Le choix du site correspond, comme on remarque sur la figure 1 à une anomalie de température positive à l’aplomb du fossé rhénan, les températures de l’eau récupérée en profondeur sont ainsi également élevées (+ de 150°C). De plus, les profondeurs de forages sont supérieures à 1500m.
Fig. 1. Témpératures du sous-sol à 5000m de profondeur au niveau de l'Europe Occidentale.
L’anomalie positive de température mesurée par rapport à un socle moyen s’explique par le géotherme particulier du fossé rhénan où on constate une remonté du manteau par équilibrage isostatique (Fig. 2).
Fig 2. Carte des profondeurs du moho dans l’Est de la France. Source : Géologie et géodynamique de la France J. Dercourt Ed. DUNOD.
La formation du fossé au sein d’un contexte de divergence engendre un amincissement crustal et un remplissage sédimentaire qui provoque un déficit de masse par rapport à la phase qui précède l’extension sur un point situé en profondeur. La remontée du manteau plus dense, concomitante avec l’amincissement de la croûte, compense le déficit de masse.
Il est à noter que la contrainte extensive se produisant sur une croute cassante s’accommode par une fracturation du socle (fig. 3). Ce phénomène constitue une autre particularité permettant l’exploitation d’eaux chaudes en profondeur : la présence d’un socle granitique fracturé est propice à la circulation d’eau géothermale.
Fig. 3. Coupe W-E du fossé rhénan au niveau de Saverne Source : Géologie et géodynamique de la France J.Dercourt Ed. DUNOD.
Principe d'exploitation sur le site de Soultz.
Plusieurs étapes sont nécessaires pour d’une part récupérer l’eau chaude et d’autre part produire l’électricité.
L’eau géothermale est donc un avantage pour l’exploitation de la géothermie mais il est nécessaire de la rendre disponible pour ladite exploitation. En effet, en circulant au cours du temps, l’eau géothermale déplace des particules sédimentaires qui colmatent plus ou moins les failles existantes. (fig. 4.). Pour transformer ces roches en échangeur thermique et connecter les puits ou réservoirs, il faut ré-ouvrir ces fractures. Cette opération, est réalisable par injection d’eau sous pression. L’eau fait légèrement coulisser les roches le long de ces fractures (Fig. 4. image 2). En relâchant la pression, les fractures ne sont plus parfaitement imbriquées, et laissent l’espace nécessaire pour faire circuler l’eau (voir Fig. 4. image 3).
Fig. 4. Principe de la stimulation hydraulique EGS ou HFR (Hot Fractured Rocks).
La restitution d’une circulation d’eau au sein des failles va permettre un lien entre l’eau de surface froide et l’eau profonde chaude qui sera récupérée (fig. 5). Cependant pour apporter l'eau et la récupérer au niveau de ces fractures, des puits en connexion avec la surface ont été forés (fig. 6.).
Fig. 5. Principe de la géothermie à Soultz, les chiffres correspondent à la boucle primaire et les lettres à la boucle secondaire (voir plus bas).
Fig. 6. Forage des puits.
Une fois la bonne connexion entre les puits de forage (fig.5.) et le réservoir souterrain d'eau géothermale réalisé il faut pouvoir ensuite pomper l'eau géothermale afin d'en extraire les calories : les calories passent alors de l'eau géothermale à 200°C vers un fluide intermédiaire : l'isobuthane (fluide caloporteur). Celui-ci servira à transformer la chaleur en électricité (fig. 7.).
Fig 7. Identification des organes de la deuxième boucle de la centrale (Extrait du diaporama utilisé lors de la formation PAF de 2012/2013 "géothermie et propriétés thermiques de la Terre").
Le fonctionnement de la centrale géothermique peut s’expliquer rapidement de la façon suivante :
La centrale se compose de deux boucles séparées mais en contact, il s’agit de la Boucle primaire d'eau géothermale et de la Boucle secondaire d'isobuthane.
L'eau de la première boucle est chaude et pompée par les puits GPK 2 et/ou GPK 4 et elle transmet ses calories à l'isobuthane en passant par un échangeur de chaleur. L’eau refroidi par l’échange est filtrée et ré-injectée par le puit de réinjection GPK 3.
Au sein de la seconde boucle, l'isobuthane qui a reçu les calories de l’eau se détend à l'entrée de la turbine, et, en passant à l'état gazeux libère une importante énergie mécanique, ce qui fait tourner la turbine reliée au générateur électrique. L'électricité produite rejoint le réseau de distribution local.
L'isobuthane passe ensuite par les aérocondenseurs afin d'être refroidit. Il est recomprimé afin de retrouver sa forme liquide et repasse dans l'échangeur de chaleur.
Conclusion.
Il est possible, par un calcul simple, de réaliser une estimation de la quantité d'énergie thermique que l'on peut obtenir à partir du transfert de chaleur des roches vers l'eau que l'on récupère de la profondeur (Fig. 8). L'approximation est importante puisque l'on va considérer que toute l'énergie thermique d'un certain volume de roche se tranfert entièrement à l'eau.
Fig. 8. Calcul de la quantité d'énergie thermique que l'on peut obtenir à partir du transfert de chaleur des roches vers l'eau.
Si on considère un volume de roche de 1km3 perdant 20°C au profit de l'eau et sachant que la masse volumique du granique est d'environ 3000 Kg/m3 et sa capacité thermique de 837 J/Kg/K il est possible de réaliser une application numérique. La quantité d'énergie obtenue est alors de 5,0.1016 J.
Afin d'avoir un élément comparatif on peut convertir cette grandeur en Tep (Tonne équivalent pétrole). Une Tep vaut 42 GJ. On a donc une quantité d'énrgie récupérable au niveau de l'eau hydrothermale de environ 1,2.106 Tep.
Pour finir la centrale géothermique compte pouvoir produire une puissance électrique de 13MW avec un rendement de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique de 13%.