Module « Géothermie » 3A/M2

Module « Géothermie »

Jean Schmittbuhl, IPGS

5 intervenants

J. Schmittbuhl, DR CNRS, Responsable Labex G-eau thermie Profonde, géophysicien, sismologue V. Magnenet, MCF ICUBE, mécanicien, modélisateur A. Genter, Directeur-adjoint ES Géothermie, Directeur Scientifique du GEIE, Soultz N. Cuenot, Ingénieur GEIE, sismologue – sécurité C. Baujard, Ingénieur ES Géothermie, responsable projet

23/09/2014Mardi 25/09/2014Jeudi 17/10/2014Vendredi 22/10/2014Mercredi 14h ‐ 16h 16h15 ‐ 18h15 10h15 ‐ 12h15 16h15 ‐ 18h15 06/11/2014Jeudi

10/11/2014Lundi

13/11/2014Jeudi 8h ‐ 18h

16h15 ‐ 18h15

10h15 ‐ 12h15 17/11/2014Lundi 26/11/2014Mercredi 16h15 ‐ 18h15 02/12/2014Mardi 14h ‐ 16h 16h15 ‐ 18h15 18/12/2014Jeudi 8h ‐ 10h 09/01/2015Vendredi 16/01/2015Jeudi 20/01/2015Mardi 13h45 ‐ 15h45 10h15 ‐ 12h15 16h15 ‐ 18h15

Calendrier

TD1 TD1 TD1 TD1 Soultz

TD1

TD1 TD1 TD1 TD1 Musée Musée     Musée   s50 J.

  Schmittbuhl J.

  Schmittbuhl J.

  Schmittbuhl J.

  Schmittbuhl J.

  Schmittbuhl/A.

  Genter

M.

  Heap

V.

  Magnenet A.

A.

N.

s50 N.

s50 C.

          Genter Genter Cuenot Cuenot Baujard Musée   s50 (en   réserve) Introduction Thermique   (1) Thermique   (2) Thermique   (3) Journée   Soultz/Rittershoffen

Thermo ‐ fracturation

Modèle   THM   de   réservoir Méthodes   géologiques   d’exploration   en   géothermie   (1) Méthodes   géologiques   d’exploration   en   géothermie   (2) Réseau   de   surveillance   de   la   sismicité   induite   à   Soultz   (Cours) Réseau   de   surveillance   de   la   sismicité   induite   à   Soultz (TD) Aspects   réglementaires   et   gestion   de   projet   Examen   (semaine)

Journée du 6 novembre 2014 Module « Géothermie » 3A/M2 EOST

PROGRAMME prévisionnel 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 Visite du site de forage de Rittershoffen 16h30-18h Retour à l’EOST

Modalité d’examen

Un examen final Commun à tous les intervenants Semaine d’examen du 20/01/2014

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. » (Wikipedia)

La géothermie: ?

Exploitation de la chaleur

Les différents types de géothermie

Geothermie ‐ perspectives.fr

Points forts/Points faibles

Points forts

• Energie renouvelable • Energie de base • Potentiel important • Faible occupation foncière • Impacts limités • Energie locale • Source d’emploi local

Points faibles

• Investissement conséquent • Risque géologique (couverture) • Délais (haute énergie) • Coûts de fonctionnement réduits, stables

Les différents types de géothermie

Type   de   géothermie Caractéristiques   du   ‘réservoir’ Très   basse énergie Nappe   à   moins   de   100   m Température   <   à   30°C   Utilisations Chauffage   et rafraîchissement   de   locaux,  

avec   pompe   à   chaleur

Basse   énergie 30°C   <   Température   <   150°C Chauffage   urbain,   utilisations   industrielles,   thermalisme,   balnéothérapie   –

utilisation   directe

Moyenne   et   Haute   énergie (géothermie   profonde) Conventionnelle/non   conventionnelle (EGS) 150°C   <   Température   <   350°C Production   d’électricité    et   de   chaleur 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.

Géosolaire

Géothermie très basse énergie

Géothermique

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.

Basse énergie

Les différents types de géothermie

Type   de   géothermie Caractéristiques   du   ‘réservoir’ Très   basse énergie Nappe   à   moins   de   100   m Température   <   à   30°C   Utilisations 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 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.

Le bassin de Paris

L’oolithe du Dogger

Carrière   de   Massangis.

  Cette   carrière   bourguignonne   exploite   l’oolithe   blanche.

  Ce   faciès   oolithique   observé   à   l’affleurement   est   équivalent   au   faciès   du   principal   aquifère   du   Dogger   du   bassin   de   Paris   (Massangis,   2011).

  ©   BRGM  ‐ Rigollet Christophe   Lame   mince   réalisée   dans   une   carotte   d’un   réservoir   du   Dogger,   prélevée   au   coeur du   bassin   de   Paris,   à   1   350   mètres   de   profondeur.

  Ce   faciès   est   composé   d’oolithes.

  ©   BRGM  ‐ Christophe   Rigollet

37   doublets   en   activité 6   triplets en   activité  

20

Basin Parisien: Dogger (jurassique moyen)

37   years operating   (since 1969) 112   wells drilled and   >   65   in   activity Temperature:   70   to   85°C High   flowrate:   to   350   m 3 /h Drilling depth:   near 2   km

LA GÉOTHERMIE EN ÎLE DE FRANCE 150 000 équivalent logements chauffés par géothermie 1 373 000 MWh/an, soit 130 000 Tep Environ 365 000 tonnes de CO2 économisées chaque année Taux de disponibilité : 95% COP moyen = 20, jusqu’à 37 pour les puits artésiens

Source : ADEME délégation régionale Île ‐ de ‐ France 2005

Géothermie basse température en Europe

C.

  Boissavy,   AFPG

Les différents types de géothermie

Type   de   géothermie Caractéristiques   du   ‘réservoir’ Très   basse énergie Nappe   à   moins   de   100   m Température   <   à   30°C   Utilisations 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 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 électrique   varie   de   quelques   mégawatts à   environ   1 500 mégawatts   (pour   les dont     la   puissance 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

Boullante I Boullante II

Géothermie haute énérgie conventionnelle (région volcanique)

Unités   Bouillante   1   (4   MWe)   et   Bouillante   2   (11   MWe)   soit   au   total   :   15   MWe 11   MWe

Larderello, Toscane, Italie

La   centrale   géothermique   de   Larderello,   en   Italie,   est   située   sur   un   champ   géothermique   exceptionnel.

  D’une   puissance   de   810   MW,   elle   fournit   de   l’électricité   à   un   million   de   foyers   italiens.

ENEL

Larderello

intrusions   granitiques   récentes

la   construction   d’une   centrale   expérimentale   de   20   kW   en   1905.

• • Champ   géothermique   à   vapeur   dominante: Température   entre   150   et   260°C,   Pression    2 ‐ 15   bars   (jusqu'à   70   bars).

  Le   gaz   est   formé   par   90%   de   CO 2 ,   avec   de   faibles   quantités   de   H 2 S,   CH 4 ,   H 2 ,   N 2 ,   H 3 BO 3 et   NH 4 .

Le   débit   des   puits   est   en   moyenne   de   25   tonnes/heure   de   vapeur,   (max:    350   t/h.)  

Les différents types de géothermie

Type   de   géothermie Caractéristiques   du   ‘réservoir’ Très   basse énergie Nappe   à   moins   de   100   m Température   <   à   30°C   Utilisations 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 ADEME.fr

La géothermie haute température non conventionnelle Le site EGS de Soultz-sous Forêts (GEIE)

Visite du 6/11/14 4   Forages   profonds :   200 ο C   @   5   km   de   profondeur 1 ère 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) GPK1 GPK2 Pump GPK3 Sediments Granite GPK4

L’apport des études pétrolières dans la couverture sédimentaire

Reservoir: grès/granite

32

Un projet long et complexe

2010

34

•

Les chantiers en Alsace

Conception Reconnaissa nce  ‐ Permis Exploration Forages Tests stimulation Exploitation Démantèle ment 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’

Wissembour g project (COGEWI)

Différents projets en Alsace

Rittershoffen project (ECOGI) Soultz ‐ sous ‐ Fôrets project (GEIE   PMC) Illkirch projects 36

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)

GRT1: Drilling start Sept   26th,   2012 Drilling end Dec,   24th,   2012 Stimulation June 2013 target:   2500m •

Rittershoffen project (ECOGI)

GRT2: Drilling start March   24th,   2014 Drilling end mid ‐ june 2014 12/05/2014 10th Euroconference - Aussois 38

A   very competitive permitting…

12/05/2014 10th Euroconference - Aussois 39

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-G 1 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 ° Des compagnies pétrolières commencent également à prospecter pour de l’exploration géothermique.

stimulations et étude des risques associés (GFZ, ETHZ, BRGM, TNO,

40 1 ES ‐ G:   Electricité   de   Strasbourg ‐ Géothermie

Bruit, Vibration, Radioactivité naturelle Impact   visuel

Réservoir

Des questions encore ouvertes …

Environnement Technologie

Corrosion/scaling Pompes   submersibles 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

42

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

Transverse   Seismic line Soultz Horst

Geothermal   target   is   a   deep   crystalline   rock

44

250 stations sismolgiques EstOF-250

http://labex-geothermie.unistra.fr/article280.html

WP2: Fonctionnement hydro-thermal naturel

46

WP3

 

Stimulation

Cuenot et   al.,   2008

Time

GPK2,   2000 µseismic events M>1 GPK3,   2003 µseismic events M>1

Dorbath et   al.,   2009

47

WP

 

3

 

microsismicité



Several thousands of   microseismic events during each stimulation   test



Several felt earthquakes (M   >   2)



Maximum   magnitudes ‐ ‐ 2000 2003     : :     2.6

2.9

,   2.7

‐ ‐ 2004   :   2.0

2005   :   2.6

48

[   Clauser &   Villinger,   1990] ‐ ‐ ‐

WP3 Reservoir modeling

Transition   zone   (basement/cover) Regional faults Permeability contrast and   basin   geometry

12/05/2014 [   Kohl   et   al,   2000] 10th Euroconference - Aussois [Guillou ‐ Frottier et   al,   2013] 49

Permeability influence

12/05/2014 10th Euroconference - Aussois Onset of   convection 50

WP3 Modeling example

Morphology of fractures?

Effect of the morphology of fractures on the

Hydraulic flow?

Heat exchange between fluid and rock?

T r

=200° C

y z

.

x

Fluid injection (

P 0 ,T 0

) Scale:   individual   fracture Fluid pumping (

P L , T f ?

)

1 0.9

0.8

0.3

0.2

0.1

0 0.7

0.6

0.5

0.4

WP 3 Stimulation chimique

Natural Injectivity / Productivity Hydraulic Stimulation HCl RMA NTA OCA

Nami et   al.,   2008

76% GPK2 8% GPK3 53% 32% GPK3 27% 13% 8% GPK4 50% Difficulté pour   généraliser les   résultats

Dorbath et   al.,   2009

GPK2 GPK3 GPK4

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  TDS  97 g/l and density = 1.065 g/cm 3 (20 ° C) 4.8-5.0

60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 59,0 27,5 3,25 6,9 0,125 0,190 0,085 0,427 0,22 0,45 0,14

Sanjuan et   al.,   2008

species

53

InSAR monotoring - a new input for reservoir modeling

Landau,   2013 ‐ 2014 [Heimlich et   al,   2014]

12/05/2014 10th Euroconference - Aussois 54