LES PRINCIPAUX TYPES DE RESSOURCES GEOTHERMIQUES

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ORIGINE DE LA GEOTHERMIE

Afin de mieux comprendre la géothermie, il est nécessaire de connaitre la Structure interne de notre planète ainsi que les mécanismes à l’origine de la Chaleur.

STRUCTURE INTERNE DU GLOBE TERRESTRE

La Croûte Terrestre

La croûte ou écorce Terrestre a une épaisseur variant de 30 à 70 Km. Elle a une densité de 2,7 à 3. La croûte est essentiellement formée de roches magmatiques et de roches sédimentaires . Ces roches peuvent se transformer et donner des roches métamorphiques, par changement des conditions de température et/ou de pression. La composition chimique est proche de celle de granite pour les continents. Des roches plus denses comme les roches basaltiques, qui constituent par contre le fond des bassins océaniques. La croûte Terrestre se divise en croûte continentale, la plus épaisse et la plus légère et en croûte océanique, la plus fine car son épaisseur est de l’ordre de 8 Km ; elle est plus dense. Une discontinuité sismique qui est la discontinuité de Mohorovicic sépare la croûte terrestre de la couche métallique dont nous allons parler.

Le manteau

Le manteau est la région intermédiaire entre la croûte et la zone interne profonde. Il se trouve entre 30 et 2 900 Km de profondeur, avec une densité moyenne de 5. La densité varie de 3,3 à 6, augmentant avec la profondeur. Le manteau est divisé en plusieurs parties :
Le toit du manteau : il est solide et est constitué de silicates de Fer et de silicates de Magnésium tels que l’olivine. Il est possible que la partie inférieure du manteau extérieur soit formée de mélanges d’oxydes de Magnésium, de silicate et de Fer. Il constitue avec la croûte terrestre une couche rigide appelée Lithosphère.

En dessous, le manteau est constitué par l’Asthénosphère qui est une zone semi-fluide et d’épaisseur de 100 Km. Le cisaillement des rocheuse plus plastiques et la partie fondue de l’Asthénosphère rendent possible les dérives des continents à la surface de la Terre.
Puis, il y a une zone de transition séparant l’Asthénosphère du manteau inférieur. Le manteau inférieur ou Mésosphère est la partie la plus profonde, la plus épaisse et la plus dense du manteau. La discontinuité dite de Gutenberg le sépare du Noyau central.

Le noyau

Le noyau est au centre de la terre. Les études sismiques ont montré que le noyau se divise en deux parties :
Le noyau externe qui est fluide, constitué de couche concentrique de 2 225 Km d’épaisseur et de densité moyenne égale à 10.
Le noyau interne qui est à l’état solide et forme une boule de 1 275 Km de rayon. Dans le noyau interne, les températures pourraient atteindre 6 650°C et la densité moyenne est de 13. La raison de cette séparation est que la température de fusion augmente avec la pression. Il est évident que plus on s’approche du centre, plus la pression est élevée.

Le noyau serait principalement composé de métaux lourds comme le Fer (90%) et de Nickel (8%) ainsi que d’autres éléments.

GRADIENT GEOTHERMIQUE ET ORIGINE DE LA GEOTHERMIE

La chaleur de la terre augmente avec la profondeur, c’est-à-dire que plus on creuse, plus la température augmente. Cette augmentation de température avec la profondeur définit le Gradient Géothermique. En générale, il est de l’ordre de 3°C tous les 100 mètres en moyenne. Donc, en arrivant au centre de la terre, le Noyau aurait une température moyenne de 4 200°C. Cette chaleur provient des réactions nucléaires qui se produisent à l’intérieur de la Terre par désintégration de l’Uranium, de Thorium et de Potassium(II). La radioactivité des roches jouent aussi dans cette production de la chaleur interne de la terre.

LES PRINCIPAUX TYPES DE RESSOURCES GEOTHERMIQUES

Selon les sources de chaleur, on classe les gisements Géothermiques en trois catégories :
Les Réservoirs de vapeur : L’eau du gisement est dans ce cas pratiquement vaporisée.
Les Réservoirs d’eau chaude : Le plus souvent, l’eau du gisement reste toujours à l’état liquide. Toutefois, selon la Température il se peut qu’on ait un mélange d’eau et de vapeur.
Ces deux premiers types de gisements sont constitués par des infiltrations d’eau circulant dans une couche géologique perméable et poreuse (ou nappe aquifère) recouverte de terrains imperméables. Les Réservoirs de roches chaudes sèches : Ils constituent une réserve de chaleur très importante, car dans tous les points du globe, on peut trouver des Roches chaudes sèches. Le granite par exemple, présente des Températures de l’ordre de 250°C à 300°C à 600 mètres de profondeur. Les réservoirs de roches chaudes sèches peuvent se trouver également dans n’importe quel bassin sédimentaire.

LES DIFFERENTS TYPES DE GEOTHERMIE

On distingue trois types de Géothermie selon le niveau de Température disponible à exploiter et selon la profondeur de la ressource à exploiter :

LA GEOTHERMIE A HAUTE ENERGIE

Elle exploite des sources hydrothermales très chaudes, avec des forages très profonds. Elle est utilisée pour produire de l’Electricité. Cette géothermie est subdivisée en deux sous catégories :
• La Géothermie haute enthalpie
Le produit exploité est une source à une Température supérieure à 150°C. On l’appelle aussi la Géothermie très profonde à très haute température.
• La Géothermie Moyenne enthalpie
On peut exploiter une source à une Température entre 90°C et 150°C, c’est une Géothermie profonde.

LA GEOTHERMIE BASSE ENERGIE

La ressource exploitée est une source à une Température entre 30°C et 90°C, on la nomme aussi la Géothermie de basse enthalpie ou la Géothermie peu profonde à basse température.

LA GEOTHERMIE TRES BASSE ENERGIE

Exploitant une source à une Température inférieure à 30°C, elle s’appelle aussi la Géothermie peu profonde à très basse température.
Nous en reparlerons, mais voyons d’abord la partie consacrée aux matériels et méthodes.

RESULTATS

PROSPECTION ET EXPLOITATION DE LA GEOTHERMIE

EXPLORATION AVANT LES EXPLOITATIONS GEOTHERMIQUES

Pour la recherche de gisement géothermique de Haute, Moyenne et Basse énergie, on utilise les méthodes d’exploration en surface suivantes (XII):
GRAVIMETRIE
La mesure gravimétrique permet d’identifier des corps lourds, liés à un stockage magmatique à faible profondeur. Ce stockage peut constituer une source potentielle de chaleur qui peut contribuer au développement géothermique.
MAGNETOTULLERIE
La méthode magnétotellurique est une technique géophysique qui fournit des informations sur la distribution des conductivités électriques des roches souterraines.

Elle permet de déterminer la structure géothermique des zones prospectées entre un terrain conducteur et isolant ; en particulier, les couches imperméables pour constituer des systèmes géothermique convectifs (couvercle d’eau chaude).
POLARISATION SPONTANEE
Elle sert à détecter la circulation des eaux sous la surface.
L’ANALYSE CHIMIQUE D’EAUX ET DE GAZ
La présence d’anomalie en He, CO2, H2S, CH4 et Rn (Radon) permet de mettre en évidence d’éventuelles contaminations par des gaz d’origine magmatique.

EXPLOITATION DE LA GEOTHERMIE AU NIVEAU MONDIAL

Géothermie à haute énergie

Géothermie haute enthalpie

Ce type de « Géothermie très profonde à haute température » ou « Géothermie haute enthalpie » est observé sur des zones où il y a des anomalies élevées de Température. C’est à dire que les Températures sont beaucoup plus fortes par rapport à la normale. En général, l’augmentation de Température avec la profondeur est de l’ordre de 3°C tous les 100 mètres (ou 30°C pour 1 km) pour les régions sédimentaires. Pour les régions volcaniques et les zones de Rift, ce gradient thermique peut atteindre plusieurs centaines de degrés pour de faibles profondeurs.

En géothermie, ces régions sont considérées comme des gisements de haute enthalpie et peuvent être utilisées pour fournir de l’énergie. Toutefois, il faut signaler que cette source d’énergie est contenue dans des réservoirs localisés généralement à plus de 1500 mètres et à Température supérieure à 150°C.

Exploitation de géothermie enthalpie

Pour savoir exploiter ce gisement, il est nécessaire de faire un forage très profond pour récupérer cette énergie. Grâce à la température élevée du gisement, il est possible de produire de l’électricité et/ou de faire la Cogénération : c’est une technique de production conjointe de l’électricité à partir de turbines à vapeur et de chaleur, avec la récupération des condensats de vapeurs.
Selon les types de réservoirs à exploiter, trois cas peuvent se présenter :

Réservoir de vapeur

Si l’eau du gisement est totalement vaporisée, l’exploitation est simple : l’eau pourra être récupérée sous forme de vapeur sèche directement utilisable pour faire tourner les turbines de centrale électrique. Seulement, la vapeur doit être purifiée à la tête du puits avant d’être transportée par des grandes canalisations isolées jusqu’aux turbines.

Les gisements de vapeur sont relativement rares: dans le monde entier, on n’en connait guère qu’à Larderello en Italie, à Sonoma en Californie et à Matsukawa au Japon.

Réservoir d’eau chaude

Dans la majorité des cas, l’eau n’est pas totalement vaporisée, mais c’est un mélange d’eau et de vapeur qu’on récupère. Il faut alors séparer les deux phases avant d’utiliser la vapeur. On exploite parfois ce gisement dans des régions particulières présentant par exemple une convection magmatique qui réchauffe les eaux superficielles. Dans le monde, on le trouve dans des régions volcaniques comme aux Philippines, en Indonésie, et en Guadeloupe.

Réservoir de roches chaudes sèches (ou « hot dry rock »)

Ici, le gisement ne contient plus de l’eau, mais des réserves de chaleur très importantes. Donc, on peut faire des forages ou fracturer les roches avec des explosifs pour y injecter du fluide « Caloporteur », comme l’eau par exemple, qui va circuler dans un échangeur créé artificiellement sur la fracturation fine de roches. C’est le liquide qui va être récupéré sous forme de vapeur surchauffée. Cette méthode de facturation de roche est « la technique de Stimulation Hydraulique » ou EGS (Enhanced Geothermal System / Système Géothermique Stimulé) ou encore HFR (Hot Fractured Rock) conçue par les Américains (VI). En tous points du globe, il existe évidemment des roches chaudes sèches, par exemple les granites qui sont à température de l’ordre de 250°C à 300°C à profondeur supérieure de 600 mètres ou des roches à haute température au dessus des systèmes volcaniques au repos. L’exploitation de la chaleur contenue dans une sphère de 1 kilomètre de rayon permettrait d’alimenter pendant un siècle une centrale électrique de 100 MW.

Cette technique a été testée au Nouveau Mexique où un échangeur thermique souterrain à 3600 mètres de profondeur a permis de récupérer une eau de 180°C en sortie, avec une production de 4 MW. Cependant, des problèmes liés aux pompes ont compromis ce projet.

Il y a aussi le projet Européen de Soultz-Sous-Forêts en Alsace (France). De la saumure naturelle piégée en très petite quantité se trouvait dans les fractures du granite sur le lieu. Après forages et des injections forcées d’eaux, des stimulations hydrauliques ou EGS sont réalisées pour ré ouvrir ces fractures préexistantes afin d’augmenter les performances hydrauliques des puits. Ainsi, on a pu faire circuler de l’eau vers 3500 mètres sous terre afin de récupérer 50 MW thermique à moins de 200°C pour générer 5 MW d’électricité. C’étaient les Américains qui ont imaginé cette technique d’EGS ou HFR en 1970 ; pourtant, c’est en France qu’elle a connu l’essor avec ce projet pilote de Soultz-Sous-Forêts.
Plus tard, cette technique d’exploitation de roches chaudes sèches se répandait à travers le monde, comme en Allemagne à Bad Urach, en Suisse à Bâle et en Australie à Habenaro.

Géothermie moyenne enthalpie

Cette Géothermie consiste à l’exploitation des gisements d’eau chaude sous pression, dont la Température est comprise entre 90°C à 180°C. Ces gisements peuvent se trouver dans des contextes géologiques propres à des profondeurs inférieures à 1000 mètres, comme dans le cas des nappes profondes dans les régions géologiques présentant un gradient de température élevé, mais pas trop. On peut les rencontrer aussi dans les nappes profondes des bassins sédimentaires situées entre 2000 et 4000 mètres.

Exploitation de géothermie moyenne énergie

En raison de la profondeur, on a besoin de faire des forages pour l’exploitation. Les forages profonds servent à injecter des liquides intermédiaires ou des fluides calorifuges comme le Fréon, l’Ammoniaque, l’Isobutane ou l’Isopentane. Ces liquides ont la propriété de se vaporiser à une température inférieure à celle du gisement. Donc ils sont chauffés en profondeur, puis ramenés à la surface pour chauffer des bâtiments, ou pour produire de l’eau chaude sanitaire et même pour produire de l’électricité. Cette technique de production de l’électricité s’appelle « Technologie de Cycle Binaire » car il a le même principe que celui de machine frigorifique, mais fonctionnant à l’envers. Cette technologie devient l’une de plus diffusées dans le monde.

Géothermie basse énergie

La géothermie basse énergie concerne l’exploitation du sol qui a une température entre 30°C à 90°C. On peut rencontrer ce gisement dans des régions à gradient thermique normale où des formations géologiques se trouvent à des profondeurs suffisantes pour atteindre cette Température recherchée. C’est le cas de bassins sédimentaires de très grandes dimensions où on peut trouver des formations rocheuses perméables remplies d’eau (nappe aquifère). Les bassins peuvent se trouver dans des profondeurs variées selon les régions, de quelques centaines jusqu’à plusieurs milliers de mètres et abrite de l’eau chaude de 60°C à 80°C en moyenne. Certaines nappes sont situées à moins de 100 mètres de profondeur, mais leur température n’excède alors guère les 30°C.

Exploitation de géothermie basse énergie

Pour l’exploitation, on réalise un forage pour permettre d’atteindre une nappe d’eau chaude et c’est cette eau qu’on récupère pour l’utiliser dans les chauffages urbains, le chauffage de serre, une autre utilisation de chaleur dans les processus industriels ou le thermalisme. Pour raison de risque de corrosion, l’eau ne circule pas directement dans les appareils de chauffage chez l’usager. On utilise des échangeurs de chaleur avec un circuit secondaire d’eau douce. Toutefois, si l’eau est suffisamment pure et à température adéquate, on peut l’envoyer directement dans des radiateurs prêts à fonctionner.

Pompe À Chaleur Géothermique (PACG)

On utilise la PACG pour exploiter la Géothermie basse énergie.
Deux cas peuvent se présenter :
• Un forage unique : on utilise un forage de pompage sans forage de réinjection, l’eau est réinjectée à la surface.
• Un double forage : on utilise alors deux ou plusieurs forages de pompage et des forages de réinjection d’eau.

Principe de doublet géothermique

En général, on emploie des pompes à chaleur qui utilisent un doublet de forage.
C’est-à-dire qu’on prévoit des puits de pompage de l’eau et d’autres puits pour la réinjection d’eau (5). Cette réinjection d’eau entre dans le cadre de préservation de l’environnement et pour maintenir la pression dans la nappe aquifère. Si la réalimentation en eau est insuffisante, on est alors obligé de réinjecter l’eau résiduaire que l’usager avait employée, ou chercher une autre source d’eau.
La technique de doublet de forage géothermique est utilisée pour augmenter la rentabilité et la durée de vie de l’exploitation géothermique des nappes phréatiques. La réinjection d’eau a comme but d’induire un mouvement de circulation dans la nappe. Donc, les deux puits doivent le plus possible être éloignés l’un de l’autre, l’un se trouvant de l’autre côté de la nappe. Si les deux puits sont trop rapprochés ou si l’approvisionnement en eau de la nappe est suffisant, cette réinjection d’eau peut provoquer de façon très lente le refroidissement du gisement : parce qu’il y a une baisse progressive de l’énergie récupérée après une période d’exploitation d’environ 30 ans.

Géothermie de très basse énergie

Cette géométrie consiste à exploiter la chaleur de la terre dans le sol. La chaleur ne provient pas ainsi de la profondeur de la croûte terrestre, mais vient du sol. En effet, avec la propriété du sol, de son inertie et de sa mauvaise conductivité thermique, et avec l’intervention du soleil et du ruissellement de l’eau de pluie, le sol joue un rôle de source de chaleur. Durant toute l’année, le sol a une température moyenne constante de 12°C, en dessous de 4,50 m.

Exploitation de géothermie très basse énergie

Pour exploiter ce type de géothermie, on utilise des Pompes à Chaleur (ou PAC) dite Géothermique. Ce système Géothermique a un système thermodynamique avec un fonctionnement comparable à celui d’un réfrigérateur ménager. En effet, on tente de puiser la chaleur présente dans le sol à travers des capteurs verticaux ou horizontaux selon la configuration du terrain.

C’est le seule technique qui se contente d’exploiter à de très basses Températures (moins de 35°C) et la seule qui utilise des forages peu profonds (moins de 100 mètres) pour aller capter les calories contenues dans l’eau ou l’air du sol.
C’est le moins complexe de toutes les installations géothermiques. Cette énergie a été utilisée pour le chauffage des serres en agriculture ou de petits groupes d’habitation. Elle est maintenant entrée dans le domaine du chauffage et de la climatisation individuels des maisons neuves et de la production d’eau chaude sanitaire.

Toutefois, son exploitation exige une source d’énergie externe à l’électricité le plus souvent, qui doit rester disponible. Cette technologie est exploitable sur une nappe phréatique de faible profondeur (de 8 à 10 mètres) avec deux forages, ou sur un lac ou un étang en utilisant toujours de PAC.

Les Pompes à Chaleur (PAC)

Il existe deux types de PAC

La PAC Aérothermique

Elle est utilisée dans la climatisation ordinaire en puisant la chaleur ou la fraicheur dans l’air extérieur, puis transférée par la pompe à chaleur dans le logement soit par des ventilo-convecteur, soit par des radiateurs à basse température. Suivant les modèles, la pompe à chaleur peut être installée à l’intérieur ou à l’extérieur du logement (VII). En inversant le mode de fonctionnement, le PAC Aérothermique offre la possibilité de rafraîchir le logement.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
I-DEFINITION
II-HISTORIQUE
III-ORIGINE DE LA GEOTHERMIE
III-1-Structure interne du globe terrestre
III-1-1-La Croûte Terrestre
III-1-2-Le manteau
III-1-3-Le noyau
III-2-gradient géothermique et origine de la géothermie
IV-LES PRINCIPAUX TYPES DE RESSOURCES GEOTHERMIQUES
V-LES DIFFERENTS TYPES DE GEOTHERMIE
V-1-La géothermie a haute énergie
V-2-La géothermie basse énergie
V-3-La géothermie très basse énergie
DEUSIEME PARTIE : MATERIELS ET METHODES
VI-MATERIELS
VII-METHODES
TROISIEME PARTIE : RESULTATS
VIII-PROSPECTION ET EXPLOITATION DE LA GEOTHERMIE
VIII-1-Exploration avant les exploitations géothermiques
VIII-2-Exploitation de la géothermie au niveau mondial
VIII-2-1-Géothermie a haute énergie
A-Géothermie haute enthalpie
A-1-Exploitation de géothermie haute énergie
a) Réservoirs de vapeur
b) Réservoirs d’eau chaude
c) Réservoirs de roches chaudes sèches (ou « hot dry rock »)
B-Géothermie moyenne enthalpie
B-1-Exploitation de géothermie moyenne énergie
VIII-2-2-Géothermie basse énergie
A-Exploitation de géothermie basse énergie
A-1-Pompe A Chaleur Géothermique (PACG)
A-1-2-Principe de doublet géothermique
VIII-2-3-Géothermie de très basse énergie
A-Exploitation de géothermie très basse énergie
A-1-Les Pompes A Chaleur (PAC)
3. Le PAC Aérothermique
4. Le PAC Géothermique (PACG)
a. Mode de Fonctionnement
b. Fluide colporteur ou frigorigène
c. Système eau glycolée /eau
d. Types d’installation de PACG
d-1-Géothermie avec capteur horizontal ou système râteaux
d-2-Géothermie avec capteur vertical ou sonde géothermique
IX-UTILISATIONS POSSIBLES DE LA GEOTHERMIE
IX-1-Electricité
IX -2-Chauffage et climatisation des locaux
IX -3-Utilisations industrielles de la géothermie
X-LES AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’EXPLOITATION DE L’ENERGIE GEOTHERMIQUE
X-1-Les avantages de la géothermie
X -2-Inconvénient de la géothermie
X -2-1-Problèmes d’investissements
X -2-2-Impacts environnementaux
X -2-3-Les risques possibles durant l’exploitation de la géothermie
A-Arrêt de l’exploitation
a. Le risque d’explosion
b. L’endommagement des outils de pompage
c. La corrosion
d. Le dépôt par précipitation ou « scaling »
e. La température et la pression
B-Les risques nocifs pour la population
a. La radioactivité naturelle
b. Microséisme induit
b-1-Solutions proposée pour minimiser le microséisme induit
XI-LA GEOTHERMIE A MADAGASCAR
XI-1-Geysers
XI -2-Points chauds et eau chaude
XI -3-Utilisation de géothermie a Madagascar
XI -4-Les vertus thérapeutiques des sources chaudes
XI -4-1-Hydrothérapie
QUATRIEME PARTIE : DISCUSSION ET SUGGESTIONS
DISCUSSIONS
1. Problèmes de l’énergie à Madagascar
2. Energie géothermique à Madagascar
3. Bassins sédimentaires de Madagascar
4. Volcanisme à Madagascar
5. Pourquoi alors à Madagascar malgré ces potentialités, l’énergie géothermique n’existe pas encore ?
SUGGESTIONS
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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