Énergie géothermique: comment la chaleur de la Terre a été transformée en une ressource énergétique efficace

Étant donné: il existe un noyau chaud à l'intérieur de la Terre, avec lequel vous devez générer de l'électricité.
Question: comment faire cela?
Réponse: construire une centrale géothermique.
Nous savons exactement comment, d'où provient la vapeur souterraine et quels sont les avantages d'une telle centrale électrique.

La méthode la plus ancienne et la plus populaire pour produire de l'électricité à l'échelle industrielle aujourd'hui est la rotation de la turbine du générateur avec un puissant flux de vapeur chaude provenant de l'eau bouillante due au chauffage forcé. Si vous y réfléchissez, l'essence du travail dans une centrale thermique au charbon et dans une centrale nucléaire moderne est l'eau bouillante, à la seule différence que le charbon est brûlé à cette fin, et dans le réacteur de la centrale nucléaire, il est bouilli par des éléments chauffants chauffés à la suite d'une réaction en chaîne contrôlée.

Mais pourquoi faire chauffer de l'eau si à certains endroits elle sort du sol déjà chaude? Est-il possible de l'utiliser directement? Vous pouvez: en 1904, l'italien Pierrot Ginori Conti lance le premier générateur, alimenté par une paire de sources géothermiques naturelles, abondamment présentes en Italie. C'est ainsi qu'est apparue la première centrale géothermique au monde, qui fonctionne toujours.

Cependant, afin de fournir à la centrale géothermique une efficacité et un coût acceptables, vous avez besoin d'eau d'une certaine température, pas plus profonde qu'un certain niveau. Si vous voulez construire une centrale géothermique (par exemple, dans votre chalet d'été), vous devez d'abord commencer à forer des puits dans des aquifères, où l'eau sous une grande pression chauffe jusqu'à 150-200 ° C et est prête à remonter à la surface sous forme d'eau bouillante surchauffée ou de vapeur. Eh bien, comme dans les centrales à combustibles fossiles, la vapeur entrante fera tourner une turbine qui entraînera un générateur qui produit de l'électricité. Utilisez la chaleur naturelle de la planète pour produire de la vapeur - c'est l'énergie géothermique. Et maintenant pour les détails.

Un peu sur la chaleur de la Terre

La température de surface du noyau solide de la Terre à une profondeur d'environ 5100 km est d'environ 6000 ° C. À l'approche de la croûte terrestre, la température diminue progressivement.


Un graphique clair de la température des roches change lorsque vous vous déplacez vers le centre de la terre. Source: Wikimedia / Bkilli1

Le soi-disant gradient géothermique - un changement de température dans une zone spécifique de l'épaisseur de la terre - est en moyenne de 3 ° C pour 100 mètres. Autrement dit, dans une mine à une profondeur de 1 km, il y aura de la chaleur à trente degrés - quiconque a visité une telle mine le confirmera. Mais selon la région, le gradient de température change - par exemple, dans le puits superdeep Kola à un horizon de 12 km, une température de 220 ° C a été enregistrée, et dans certains endroits de la planète, près de failles tectoniques et de zones d'activité volcanique, pour atteindre des températures similaires, il suffit de forer à partir de plusieurs centaines de mètres jusqu'à plusieurs kilomètres, généralement de 0,5 à 3 km. Dans l'État américain de l'Oregon, le gradient géothermique est de 150 ° C pour 1 km, et en Afrique du Sud seulement 6 ° C pour 1 km. D'où la conclusion: vous ne pouvez pas construire une bonne station géothermique n'importe où (avant de commencer les travaux, assurez-vous que votre chalet d'été est dans un endroit approprié). En règle générale, les endroits appropriés sont ceux où il y a une forte activité géologique - des tremblements de terre se produisent souvent et il y a des volcans actifs.

Types de centrales géothermiques

En fonction de la source d'énergie géothermique disponible (par exemple dans votre DSC), vous choisirez le type de centrale. Nous comprendrons de quoi il s'agit.

Station hydrothermale

Un schéma simplifié d'une centrale hydrothermale à cycle direct sera clair même pour un enfant: de la vapeur chaude s'échappe du sol par un tuyau, qui fait tourner la turbine du générateur, puis se précipite dans l'atmosphère. C'est vraiment aussi simple si nous avons la chance de trouver une source de vapeur appropriée.


Cycle direct GeoTES. Source: Économisez de l'énergie

Si la vapeur dont vous disposez ne bat pas la vapeur, mais les mélanges vapeur-eau avec des températures supérieures à 150 ° C, une station à cycle combiné sera nécessaire. Devant la turbine, le séparateur séparera la vapeur de l'eau - la vapeur ira à la turbine, et l'eau chaude sera soit rejetée dans le puits, soit transférée à l'expanseur, où, dans des conditions de basse pression, elle dégagera de la vapeur supplémentaire pour la turbine.

Si votre village de vacances n'a pas de chance avec des sources chaudes - par exemple, si la température de l'eau souterraine est inférieure à 100 ° C à une profondeur économiquement acceptable - et que vous voulez vraiment avoir un GeoTES, vous devrez construire une station géothermique binaire complexe, dont le cycle a été inventé en URSS . Dans ce document, le fluide du puits n'est pas du tout fourni à la turbine sous aucune forme. Au lieu de cela, dans un échangeur de chaleur, il chauffe un autre fluide de travail avec un point d'ébullition inférieur, qui, se transformant en vapeur, fait tourner la turbine, se condense et retourne dans la chambre d'échange de chaleur. De tels fluides de travail peuvent être, par exemple, du fréon, dont une espèce (fluorodichlorobromométhane) bout même à 51,9 ° C. Le cycle binaire peut être combiné avec celui combiné, lorsque la vapeur sera fournie à une turbine et l'eau séparée sera envoyée vers un autre circuit pour chauffer le liquide de refroidissement à bas point d'ébullition.


Cycle binaire GeoTES. Source: Économisez de l'énergie

Station pétrothermique

Les sources souterraines chauffées sont un phénomène très rare à l'échelle planétaire, comme vous l'avez probablement remarqué, ce qui limite fortement la zone potentielle pour l'introduction de l'énergie géothermique, donc une approche alternative a été développée: s'il n'y a pas d'eau dans les profondeurs chaudes de la croûte terrestre, alors il faut y pomper. Le principe pétrothermique implique l'injection d'eau dans un puits profond avec de la roche chauffée, où le liquide se transforme en vapeur et retourne à la turbine de la centrale électrique.


Schéma simplifié d'une centrale pétrothermique

Il est nécessaire de forer au moins deux puits: l'eau sera fournie à l'un à partir de la surface afin que la chaleur des roches se transforme en vapeur et sort par un autre puits. Et puis le processus de production d'électricité sera complètement similaire à la station hydrothermale.

Naturellement, il n'est pas réaliste de connecter deux puits souterrains à une profondeur de plusieurs kilomètres - l'eau entre eux communique en raison de fractures résultant du pompage de fluide sous une pression énorme (fracturation hydraulique). Pour empêcher les crevasses et les vides de se fermer avec le temps, des granules, par exemple du sable, sont ajoutés à l'eau.

En moyenne, un puits pour un procédé pétrothermique produit un débit de mélange vapeur-eau suffisant pour générer 3 à 5 MW d'énergie. Jusqu'à présent, ces systèmes n'ont été mis en œuvre nulle part au niveau industriel, mais des travaux sont en cours, notamment au Japon et en Australie.

Les avantages de la géothermie

De ce qui précède, il s'ensuit que l'utilisation de la chaleur de la Terre pour produire de l'électricité à l'échelle industrielle, l'entreprise n'est pas bon marché. Mais très bénéfique pour plusieurs raisons.

Inépuisabilité. Les centrales électriques utilisant des combustibles fossiles - gaz naturel, charbon, fioul - dépendent fortement de l'approvisionnement de ce même combustible. De plus, le danger réside non seulement dans l'arrêt des approvisionnements en raison de catastrophes ou de changements dans la situation politique, mais aussi dans une augmentation spasmodique imprévue des prix des matières premières. Au début des années 1970, en raison des turbulences politiques au Moyen-Orient, une crise du carburant a éclaté, entraînant une multiplication par quatre des prix du pétrole. La crise a donné un nouvel élan au développement du transport électrique et des énergies alternatives. L'un des avantages de l'utilisation de la chaleur terrestre est son inépuisabilité pratique (en raison des actions humaines, au moins). Le flux de chaleur annuel de la Terre à la surface est d'environ 400 000 TW · h par an, soit 17 fois plus que pendant la même période que toutes les centrales électriques mondiales produisent. La température du cœur de la Terre est de 6000 ° C et le taux de refroidissement est estimé à 300-500 ° C pendant 1 milliard d'années. Ne vous inquiétez pas que l'humanité puisse accélérer ce processus en forant des puits et en y pompant de l'eau - une baisse de la température centrale de 1 degré libère 2 · 1020 kWh d'énergie, ce qui est des millions de fois plus que la consommation annuelle d'électricité de toute l'humanité.

La stabilité L'énergie éolienne et solaire est extrêmement sensible aux conditions météorologiques et à l'heure de la journée. Il n'y a pas de soleil - il n'y a pas de génération, la station abandonne une réserve de batteries. Le vent s'est affaibli - là encore il n'y a pas de génération, là encore des batteries sans capacité infinie entrent en jeu. Sous réserve des processus techniques de retour de l'eau dans le puits, la centrale hydrothermale fonctionnera en continu 24h / 24 et 7j / 7.

Compacité et commodité pour les zones difficiles. Alimenter des zones reculées avec une infrastructure isolée n'est pas une tâche facile. C'est encore plus compliqué si la zone est mal desservie par les transports et que le terrain n'est pas adapté à la construction de centrales électriques traditionnelles. L'un des avantages importants des centrales géothermiques est leur compacité: puisque le liquide de refroidissement est littéralement prélevé sur le sol, un hall de turbine et un générateur et une tour de refroidissement sont construits en surface, qui ensemble prennent très peu de place.

Une centrale géothermique d'une génération de 1 GW · h / an occupera une superficie de 400 m2 - même dans les hauts plateaux d'une centrale géothermique, une très petite surface et une autoroute seront nécessaires. Pour une centrale solaire de même puissance, 3240 m2 seront nécessaires, pour une centrale éolienne - 1340 m2.

Respect de l'environnement. Le fonctionnement de la centrale géothermique elle-même est pratiquement inoffensif: son émission de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est estimée à 45 kg de CO2 pour 1 kWh d'énergie générée. A titre de comparaison: dans les stations de charbon, le même kilowatt-heure représente 1000 kg de CO2, dans les stations de pétrole - 840 kg, gaz - 469 kg. Cependant, les centrales nucléaires ne représentent que 16 kg - quelque chose, et elles produisent un minimum de dioxyde de carbone.

La possibilité d'une exploitation minière parallèle. Étonnamment, c'est un fait: dans certaines unités de puissance de GeoTES, en plus de l'électricité, ils produisent également des gaz et des métaux dissous dans un mélange vapeur-eau provenant du sous-sol. Ils pourraient simplement être remis dans le puits avec la vapeur condensée épuisée, mais, étant donné les volumes d'éléments utiles qui traversent la centrale géothermique, il serait plus raisonnable de mettre en place leur production. Dans certaines régions d'Italie, la vapeur des puits contient 150 à 700 mg d'acide borique par kilogramme de vapeur. L'une des centrales hydrothermales locales de 4 MW consomme 20 kg de vapeur par seconde, de sorte que la production d'acide borique y est mise à l'échelle industrielle.

Inconvénients de l'énergie géothermique

Le fluide de travail est dangereux. Comme indiqué ci-dessus, les géo-TPP ne produisent pas d'émissions toxiques supplémentaires, seulement une petite quantité de dioxyde de carbone, un ordre de grandeur plus petit que celui des TPP au gaz. Ce qui, cependant, ne signifie pas que les eaux souterraines et la vapeur sont toujours des substances pures, semblables à de l'eau potable minérale. Un mélange vapeur-eau des profondeurs de la terre est saturé de gaz et de métaux lourds caractéristiques d'une partie particulière de la croûte terrestre: plomb, cadmium, arsenic, zinc, soufre, bore, ammoniac, phénol, etc. Dans certains cas, un cocktail si impressionnant coule à travers les tuyaux vers le GeoTES que son rejet dans l'atmosphère ou les plans d'eau provoquera immédiatement une catastrophe environnementale locale.


Le résultat de l'action de l'eau géothermique sur les métaux.

Sous réserve de toutes les exigences de sécurité, la vapeur envoyée dans l'atmosphère est soigneusement filtrée des métaux et des gaz, et le condensat est pompé dans le puits. Mais en cas de situations d'urgence ou de violation intentionnelle des réglementations techniques, la centrale géothermique peut causer des dommages à l'environnement.

Coût élevé par kilowatt. Malgré la relative simplicité de conception du GeoTES, les investissements initiaux dans leur construction sont considérables. Beaucoup d'argent est dépensé pour l'exploration et l'analyse, ce qui fait que le coût des stations géothermiques fluctue au niveau de 2800 $ / kW de capacité installée. À titre de comparaison: TPP - 1000 $ / kW, éoliennes - 1600 $ / kW, centrale solaire - 1800-2000 $ / kW, centrale nucléaire - environ 6000 $ / kW. De plus, le coût moyen est donné pour la centrale géothermique, qui peut varier considérablement selon le pays, la topographie, la composition chimique de la vapeur et la profondeur de forage.

Puissance relativement faible. Les géo-TPP, en principe, ne peuvent pas encore être comparés en termes de production d'électricité avec des centrales hydroélectriques, des centrales nucléaires et des centrales thermiques. Même lors du forage d'un grand nombre de puits, le débit de vapeur restera faible et l'électricité produite ne sera suffisante que pour les petites colonies.

Le complexe d'énergie géothermique The Geysers le plus puissant pour 2019 est réparti sur une superficie de 78 km2 en Californie, aux États-Unis. Il se compose de 22 stations hydrothermales et de 350 puits d'une capacité installée totale de 1 517 MW (production réelle de 955 MW), qui couvrent jusqu'à 60% des besoins énergétiques de la côte nord de l'État. La capacité totale des Geysers est comparable à celle du réacteur soviétique RBMK-1500, qui fonctionnait autrefois à la centrale nucléaire d'Ignalina, où il y en avait deux, et la centrale nucléaire elle-même était située sur une superficie de 0,75 km2. Les géo-TPP avec une production de 200 à 300 MW sont considérés comme très puissants, tandis que la plupart des stations dans le monde fonctionnent avec des nombres à deux chiffres.


La station hydrothermale combinée du complexe The Geysers en Californie. Et il y en a 22. Source: Wikimedia / Stepheng3

Où tout cela fonctionne-t-il et à quel point est-il prometteur

En 2018, les centrales géothermiques du monde entier produisent plus de 14,3 GW d'énergie, alors qu'en 2007 elles n'en produisaient que 9,7 GW. Oui, pas une révolution géothermique, mais la croissance est évidente.

Le leader de la production géothermique est les États-Unis avec ses 3 591 MW. Valeur impressionnante, qui ne représente cependant que 0,3% de la production totale du pays. Vient ensuite l'Indonésie de 1948 MW et 3,7%. Mais en troisième lieu, le plaisir commence: aux Philippines, les centrales géothermiques ont une puissance installée de 1868 MW, alors qu'elles représentent 27% de l'électricité du pays. Et au Kenya - 51%! Le Japon figure également parmi les dix premiers en termes de nombre de kilowatts générés par le Geo-TPP.

La première centrale géothermique, Matsukawa, a ouvert ses portes au Japon en 1966. Elle a généré 23,5 MW et Toshiba a produit la turbine et le générateur pour elle. Dans les années 2010, l'énergie géothermique est devenue la plus demandée dans les pays africains, où la conclusion active de contrats et la construction de GeoTPS ont commencé. En 2015, le Kenya a ouvert la station Olkaria IV, l'une des quatre, située dans la région d'Olkaria à 120 km de Nairobi, d'une capacité de 140 MW. Avec son aide, le gouvernement réduit sa dépendance vis-à-vis des centrales hydroélectriques, dont le rejet d'eau entraîne souvent des inondations dévastatrices.


GeoTES Olkaria IV au Kenya. Olkaria V et Olkaria VI devraient être mises en service en 2021. Source: Toshiba

Des géo-TPP sont également en cours de construction en Ouganda, en Tanzanie, en Éthiopie et à Djibouti.

En Russie, le développement de l'énergie géothermique se déroule à un rythme très lent, car il n'y a pas de besoin particulier pour la construction de centrales électriques supplémentaires. En 2015, ces stations ne représentaient que 82 MW.

La centrale géothermique de Pauzhet, construite au Kamchatka en 1966, a été la première en URSS. Sa capacité installée initiale n'était que de 5 MW, elle est maintenant portée à 12 MW. Après cela, la station Paratunskaya d'une capacité de seulement 600 kW est apparue - la première GeoTES binaire au monde.

Maintenant, en Russie, il n'y a que quatre stations, trois d'entre elles alimentent le Kamtchatka, une autre, 3,6 MW Mendeleev GeoPP, alimente l'île de Kunashir de la crête de Kuril.

Il existe de nombreuses façons de produire de l'électricité sur notre planète sans l'aide de combustibles fossiles. Certains d'entre eux, par exemple l'énergie solaire et éolienne, sont maintenant utilisés avec succès. Certaines, comme les piles à combustible à hydrogène, sont encore au stade initial d'adaptation. La géothermie est notre fondement pour l'avenir, dont nous n'avons pas encore exploité tout le potentiel.