Transcript EOST – Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre

Module « Géothermie » 3A/M2
Module « Géothermie »
Jean Schmittbuhl, IPGS
5 intervenants
J. Schmittbuhl, DR CNRS, Responsable Labex G-eauthermie Profonde, géophysicien, sismologue
A. Genter, Directeur Scientifique du GEIE, Soultz
N. Cuenot, Ingénieur GEIE, sismologue – sécurité
J.J. Graff (ou C. Baujard), directeur d’ES Géothermie
V. Magnenet, MCF ICUBE, mécanicien, modélisateur
Calendrier
23/10/2013 Mercredi
06/11/2013 Mercredi
14h-16h
J. Schmittbuhl Introduction
16h15-18h15 J. Schmittbuhl Thermique (1)
13/11/2013 Mercredi
9h-18h
20/11/2013 Mercredi
14h-16h
20/11/2013 Mercredi
27/11/2013 Mercredi
16h15-18h15
16h15-18h15
11/12/2013 Mercredi
16h15-18h15
17/12/2013 Mardi
10h15-12h15
17/12/2013 Mardi
14h-16h
20/01/2014
03/02/2014
14h-16h
2h
J. Schmittbuhl/ Journée
A. Genter
Soultz/Rittershoffen
Méthodes géologiques
d’exploration en
A. Genter
géothermie (1)
Méthodes géologiques
d’exploration en
A. Genter
géothermie (2)
J. Schmittbuhl Thermique (2)
J.J. Graff/C.
Aspects réglementaires
Baujard
et gestion de projet
Réseau de surveillance
de la sismicité induite à
N. Cuenot
Soultz (Cours)
Réseau de surveillance
de la sismicité induite à
N. Cuenot
Soultz (TD)
Modèle THM de
V. Magnenet réservoir
Examen (semaine)
Journée du 13 novembre 2013
Module « Géothermie » 3A/M2 EOST
PROGRAMME
8h00
Départ EOST 5 Rue René Descartes
9H00
Arrivée GEIE à KUTZENHAUSEN (Bureaux GPK1)
9h-10h30 Le projet de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêts par
Albert Genter
10h30-10h45 Pause
10h45-11h15 La sismicité induite à Soultz par Nicolas Cuenot
11h15-11h30 Le projet ECOGI : le premier forage géothermique à
Rittershoffen par Guerric Villadangos
11h30-12h30 “Chemical stimulation in EGS reservoirs” par Julia
Scheiber
12h30-13h30 Repas (prévoir casse-croûte)
14h00-14h30 Visite de la plateforme géothermique GPK2/GPK3/GPK4
15h-16h30
16h30-18h
Visite du site de forage de Rittershoffen
Retour à l’EOST
Modalité d’examen
Un examen final
Commun à tous les intervenants
Semaine d’examen du 3/02/2014
Web
Le site Labex : http://labex-geothermie.unistra.fr/
Rubrique: formation
Accès aux documents de cours
login: etudiant - pwd: etudiantlabex
Module de « Géothermie »
Introduction
Définition
La géothermie
« La géothermie, du grec géo (la terre) et thermie (la
chaleur), est la science qui étudie les phénomènes
thermiques internes du globe terrestre et la technique
qui vise à l'exploiter. Par extension, la géothermie
désigne aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie
de la Terre qui est convertie en chaleur. »
Exploitation de la chaleur
Les différents types de géothermie
Geothermie-perspectives.fr
Les différents types de géothermie
Type de géothermie
Caractéristiques du ‘réservoir’
Utilisations
Nappe à moins de 100 m
Température < à 30°C
Chauffage et
rafraîchissement de locaux, avec
pompe à chaleur
Basse énergie
30°C < Température < 150°C
Chauffage urbain, utilisations
industrielles, thermalisme,
balnéothérapie
Moyenne et Haute énergie
(géothermie profonde)
Conventionnelle/non
conventionnelle (EGS)
150°C < Température < 350°C
Production d’électricité et de chaleur
Très basse
énergie
ADEME.fr
Géothermie très basse énergie
La géothermie très basse énergie
Elle permet le chauffage, le rafraîchissement de locaux
ou la production d’eau chaude.
La production de chaleur s’effectue à l’aide de pompe à
chaleur (PAC), multiplicateur de calories.
Importance de la technologie de surface
Sous ce terme « pompe à chaleur », on regroupe plusieurs
systèmes thermodynamiques, qui se différencient par :
- la nature de la source de chaleur (air, eau, ou sol),
- le vecteur d’émission de chaleur (air ou eau).
On parle ainsi de PAC sol/sol, sol/eau ou eau glycolée/eau.
Pour permettre le rafraîchissement, il faut une PAC
réversible.
Principe de la PAC
La performance énergétique de chaque installation se caractérise par le coefficient de performance (COP) :
COP = quantité de chaleur fournie / énergie consommée par le compresseur et les auxiliaires.
Ce coefficient ne dépend pas que du matériel. Il peut varier considérablement si les conditions d’utilisation ne
sont pas optimales. L’échelle de valeur de COP s’étend aujourd’hui de 1,5 à 4,5. Autrement dit : avec 1 kWh
électrique consommé, on produit de 1,5 à 4,5 kWh thermique.
Géothermie très basse énergie
Géosolaire
Géothermique
Basse énergie
Les différents types de géothermie
Type de géothermie
Caractéristiques du ‘réservoir’
Utilisations
Nappe à moins de 100 m
Température < à 30°C
Chauffage et
rafraîchissement de locaux, avec
pompe à chaleur
Basse énergie
30°C < Température < 150°C
Chauffage urbain, utilisations
industrielles, thermalisme,
balnéothérapie
Moyenne et Haute énergie
(géothermie profonde)
Conventionnelle/non
conventionnelle (EGS)
150°C < Température < 350°C
Production d’électricité et de chaleur
Très basse
énergie
ADEME.fr
Géothermie basse énergie
L’utilisation directe de la chaleur (basse et très basse énergie) :
On estime que près de 17 000 MWth (mégawatt thermiques) sont installés dans le monde, à peu
près à parts égales entre l’Amérique, l’Asie et l’Europe.
Pour la géothermie basse énergie, la température des nappes est comprise entre 30 et 150 °C.
Environ 55 pays les exploitent aujourd’hui pour la production de chaleur. Cette exploitation est en
pleine expansion puisqu’ils n’étaient qu’une trentaine de pays en 1995.
Basin Parisien: Dogger
(jurassique moyen)
16
37 years operating (since 1969)
112 wells drilled and 65 in activity
Temperature: 70 to 85°C
High flowrate: to 350 m3/h
Drilling depth: near 2 km
Les différents types de géothermie
Type de géothermie
Caractéristiques du ‘réservoir’
Utilisations
Nappe à moins de 100 m
Température < à 30°C
Chauffage et
rafraîchissement de locaux, avec
pompe à chaleur
Basse énergie
30°C < Température < 150°C
Chauffage urbain, utilisations
industrielles, thermalisme,
balnéothérapie
Moyenne et Haute énergie
(géothermie profonde)
Conventionnelle/non
conventionnelle (EGS)
150°C < Température < 350°C
Production d’électricité et de chaleur
Très basse
énergie
ADEME.fr
La production d’électricité (moyenne et haute énergie)
La géothermie haute énergie est aujourd’hui exploitée
dans le monde à hauteur de près de 8 000 MWe
(mégawatt électriques installés), dont 42 % en
Amérique et 38 % en Asie.
Plus de 20 pays produisent aujourd’hui une partie de
leur courant électrique à partir de gisements aquifères
dont les températures sont comprises entre 180 et
350 °C.
Une centrale nucléaire est constituée d'un ou plusieurs réacteurs nucléaires dont la puissance
électrique varie de quelques mégawatts à environ 1 500 mégawatts (pour les réacteurs actuellement
en service).
En 2009, 439 réacteurs fonctionnent dans 31 pays différents dans le monde, dont 58 réacteurs en
France, soit un total de 370 gigawatts produisant environ 14 % de l'électricité mondiale
Géothermie haute énérgie conventionnelle
(région volcanique)
11 MWe
La géothermie haute température non
conventionnelle
Le site EGS de
Soultz-sousForêts (GEIE)
Visite du 13/11/13
4 Forages profonds : 200οC @ 5 km de profondeur
1ère centrale électrique géothermique en France
métropolitaine (production depuis 2011)
Centrale binaire de type ORC (Organic Rankine Cycle)
équipée avec une turbine de 1,5 MWe
Tests de pompe de production : Long Shaft Pump
(LSP)
Réservoir: massif granitique fracturé stimulé (EGS)
Sediments
Pump
Granite
GPK4
GPK1
GPK2
GPK3
Reservoir: grès/granite
21
Un projet long et complexe
•The main project steps
1987 – 1991
1991 – 1998
1999 – 2007
2007 – 2009
Exploration
phase
Creation of the 2 wells
system GPK1/GPK2
at - 3600 m
Creation of the 3 wells system
GPK2/GPK3/GPK4
at - 5000 m
Construction of the first
production unit ORC 1.5 MWe
• Drilling GPK1 at
2000 m
• Coring EPS1 at
- 2227 m
-
• Deepening of GPK1 at
- 3600 m and stimulation
• Deepening of GPK2 at
- 5080 m and stimulation
• Drilling of GPK2 at
- 3880 m and stimulation
• Drilling of GPK3 at
- 5100 m and stimulation
• Circulation test between
the 2 wells (4 months)
• Drilling of GPK4 at
- 5270 m and stimulation
• Circulation test between the
3 wells (5 months)
• Complementary stimulations
(chemical)
• Installation of surface
equipment (turbine and
generator, heat exchangers,
cooling systems …)
• Installation of the LSP
in GPK2 at - 350 m
• Inauguration of the power
plant 13.06.2008
• Installation of the ESP
in GPK4 at - 500m
2010
23
Des difficultés…
Environnement
Technologie
Bruit,
Vibration,
Radioactivité naturelle
Impact visuel
Corrosion/scaling
Pompes submersibles
Réservoir
Activité micro-sismique
Ré-injection à basse pression
Améliorer la production des puits
•Labex « G-eau-thermie Profonde »
Un projet R&D long terme (8 ans)
 3 partenaires alsaciens (une logique de site)
 EOST/IMFS (UdS/CNRS) : Académique (un « nouveau »
partenariat interne: géosciences/mécanique/génie civil)
 GEIE EMC « Soultz » : Académique/Industrie (une longue
histoire depuis 1987)
 Groupe ES (ES/ESG) : Industriel (une nouvelle filiale ESG)
Des chantiers: Soultz-sous-Forêts (GEIE EMC), Rittershoffen
(ECOGI), Wissembourg (AMI COGEOP), etc
 Des collaborations renforcées :
BRGM (Division de géothermie) / KIT (Chaire de géothermie)
LabEx G-EAU-THERMIE PROFONDE - Jean Schmittbuhl
25
•Les chantiers en Alsace
Conception
Reconnaissa
nce - Permis
Exploration
Forages
Tests
stimulation
Exploitation
Des grands chantiers à différentes phases:
 GEIE Exploitation Minière de la Chaleur – Soultz-sous-Forêts
 Pilote scientifique
 Production d’électricité (1.5 MW)
 Phase ‘Exploitation’
 ECOGI – Rittershoffen
 Projet industriel (Roquette Frères)
 Production de chaleur (24 MW)
 Phase ‘Forages’
 AMI Wissembourg (?)
 Projet industriel (ES)
 Production d’électricité (3 MW) et de chaleur (20 MW)
 Phase ‘Permis’
 Lauterbourg, Illkirch
 Projet industriels
 Phase ‘Conception’
Démantèle
ment
Projet ECOGI –
Rittershoffen/Beinheim
Investissements : 44 M€ Soutien ADEME
: 25 M€ Apport des associés : 19 M€
Début de la production : 2014
Exploitation prévue sur : 20 ans
2 forages : 2 500 – 3 000m
Fonctionnement nominal : 8.000 h/an
Température : 170°C
Boucle transport : 15 km
Puissance délivrée entrée usine : 24
MWth (70l/s – 160 °C) Énergie thermique
livrée : 190 000 MWh/an* CO2 évités :
39 000 t/an soit 16 000 tep/an
Les actions de recherche et d’observation
Labex G-eau-thermie Profonde
Des possibilités de stages dans ces différents
domaines…
Le projet
WP1: Exploration des ressources géothermales profondes
WP2: Comportement des réservoirs géothermiques naturels
WP3: Exploitation d’un réservoir géothermique
WP4: Observatoire du champ géothermique
WP1 Exploration
•
Soultz Horst
Transverse Seismic line
Geothermal target is a deep crystalline rock
30
WP2: Fonctionnement hydro-thermal naturel
Temperature Logs Equilibrium
0
GPK-2
GPK-3
GPK-4
Conduction
500
1000
Triassic sandstone
1500
Paleozoic granite
true vertical depth [m]
2000
Convection
2500
3000
3500
4000
4500
Conduction
5000
5500
Fractured
Altered
Granite
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
temperature [°C]
Natural circulation within hydrothermally
altered and fractured zones - well design
220
Fractured
Sandstone
31
WP3 Modeling example
Morphology of fractures?
Effect of the morphology of fractures on the
Hydraulic flow?
Heat exchange between fluid and rock?
Tr=200° C
z
.
y
x
Fluid
injection
(P0 ,T0)
Scale: individual fracture
Fluid
pumping
(PL ,Tf ? )
WP3 Stimulation
Presure
GPK2, 2000
µseismic events M>1
GPK3, 2003
µseismic events M>1
Cuenot et al., 2008
Time
Dorbath et al., 2009
33
WP 3 microsismicité
 Several thousands of
microseismic events during each
stimulation test
 Several felt earthquakes (M >
2)
 Maximum magnitudes
- 2000 : 2.6
- 2003 : 2.9, 2.7
- 2004 : 2.0
- 2005 : 2.6
34
WP 3 Stimulation chimique
Injectivity/Productivity index [l/(s*bar)]
1
Natural Injectivity / Productivity
Hydraulic Stimulation
HCl
RMA
NTA
OCA
0.9
0.8
0.7
0.6
GPK2
Nami et al., 2008
0.5
GPK3
0.4
0.3
0.2
0.1
0
4%
GPK2
20%
8%
8%GPK3
2%
GPK4
53%
32%
50%
GPK4
13%
8%
76%
GPK2
27%
GPK3
GPK4
Difficulté pour généraliser
les résultats
Dorbath et al., 2009
WP 4 Obervatory
Similar chemical characteristics of the native reservoir
brine discharged from GPK1, GPK2, GPK3 and GPK4 at
depths > 3,500 m
Representative chemical composition: Na-Cl brine, pH ≈ 4.8-5.0
TDS ≈ 97 g/l and density = 1.065 g/cm3 (20°C)
59,0
50,0
40,0
30,0
27,5
20,0
6,9
Sanjuan et al., 2008
Li
Sr
Br
Cl
Mg
Ca
K
0,0
SiO2
0,22
0,14
0,190 0,085 0,427
0,45
0,125
HCO3
3,25
SO4
10,0
Na
concentration
(g/l)
60,0
species
36
Projets EGS récents dans le Fossé Rhénan
En Allemagne,
Landau, 2 puits, 3300 m, 150°C, 70l/s, 3MWe + chaleur
Insheim, 2 puits, 3700 m
Micro-sismicité induite
Pendant circulation
En France,
Dans le Nord de l’Alsace, la société Roquette, ES-G1 et la Caisse des dépôts
et consignation vont lancer un projet géothermique situé à 10 km vers l’Est du
site de Soultz (Rittershoffen-Hatten). L’objectif est de produire de la
chaleur, utilisée pour sécher des céréales, à partir d’un forage d’environ 2.5
km de profondeur. La température attendue est de 170°C
Des compagnies pétrolières commencent également à prospecter pour de
l’exploration géothermique.
En Europe, GEISER projet R&D Européen sur la compréhension des
mécanismes physiques de la micro-sismicité induite consécutive aux
stimulations et étude des risques associés (GFZ, ETHZ, BRGM, TNO,
ISOR, EOST, NORSAR, Statoil, Armines, ….)
37
1
ES-G: Electricité de Strasbourg-Géothermie