[PDF] Etude de la géothermie et production denergie électrique

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REPUBLIQUEDUSENEGAL

UNIVERSITE

CHEIKHANTADIOPDEDAKAR

ECOLESUPERIEllREPOLYTECHNIQUE

CENTRE DETHIES

ETUDEDELAGEOllHERMIEET

PRODUCTIOND'ENERGIE

ELECTRIQ"UE

Projet de Find'Etudes

En vu de l'obtentiondu Diplômed'ingénieurde conception en Génie Mécanique, OptionElectromécanique 1

Directeur

interne:MonsieurPape ModyNDIAYE 1

DEDICACES

Je dédie ce travailparticulièrement:

A mon regretté papa, qui

m'atoujoursencouragéetm'ainculqué le culte de la rigueur et de lapersévérance. A ma mère, pour ses prières et sesencouragements.

A toute ma famille qui

m'estchère.

A tout mes amis

II 1

SOMMAIRE

Lebutde ce travailconsistaitàétudier lagéothermieetproductiond'énergieélectrique. Ladifficulté,qui a rendu le projet vaste, futl'obligationd'uneprogressiondans un environnementindéterminéoù toutes lesdonnéesdevaientêtrerecherchéessur le terrain. Enpremierlieu on a essayéd'étudierlagéothermie,en second lieu on a essayé de mettre sur place latechnologiequ'ilfaut pour extraire etconvertircette chaleur en énergie électrique;et endernierlieu on a fait une étude globaleconcernantlatempératuredans le sous-sol. Cette étude a pu ainsiconfirmerque laproductiond'énergieélectrique

àpartir de la

géothermieestpossibledans toutes les régions du monde et que laprofondeurdes forages dépend dugradientgéothermiquede cette région. Danscertaineslocalités du Sénégal (M'Bourouk;Popoguineet Dakar) il faudracreuserau environ de 4000 mètres deprofondeur dans lesous-solpourpouvoirproduire del'électricité. Mot clés : turbine -alternateur-échangeurde chaleur - sourcethermale- gradient géothermique- logiciel Metamod. III 1

REMERCIEMENTS

J'adressemessincèresremerciementsà tout ceux qui ontcontribuéà laréalisationde ce travail : MonsieurPapeModyNdiaye,professeurrattachéauDépartementde GénieMécanique, pour avoir bien voulu meproposerun sujet de find'étudesenrichissantd'expérienceet pour avoir fait preuve d'untotalengagementdans son rôled'encadreurinterne du projet. MonsieurChorWone,chefdeDépartementGéologie pétrole du Sénégal (PETROSEN), pour sa grandedisponibilitéet ses utilesdocumentationsqui ontgrandementfacilité ce travail. MonsieurChristianNicollet,professeuràl'universitéBlaise Pascal auDépartementde Géologie pour avoir mis à madispositionle logiciel Métamod.

Enfin,

jetiens àremercier,tous ceux qui, de près ou de loin, ontparticipéà laréalisation de ce travail de find'études. IV 1

TABLEDESMATIERES

LISTEDESANNEXESVIII

LISTEDES

TABLEAUX·.IX

LISTEDESSYMBOLESET DESABREVIATIONSXI

.INTRODUCTION1

CHAPITRE

1:L'ENERGIEGEOTHERMIQUE.4

1)Lagéothermiebasseenthalpie6

II) Lagéothermiehauteenthalpie6

CHAPITREII :

EXTRACTIONDE LACHALEURDUSOUS-SOLET

PRODUCTIOND'ELECTRICITE8

1)Engéothermiebasseenthalpie8

II) Engéothermiehauteenthalpie8

IV)Pd. d'

rl..,9rouctioneectncrte..

1)Avecréservoirdevapeur9

2)Avecréservoir

d'eauchaude10 v

CHAPITREIII :TEMPERATUREDANSLALITHOSPHERE.15

1)Equationfondamentalede latransmissiondechaleur15

II)L'équationde lapropagationde lachaleurdans leglobeterrestre17

1)Dansleszonesstablesde lalithosphère18

2)Dansleszonesinstablesde lalithosphère19

3)Mesurede laconductivitéthermique

d'uneroche.19

III) LelogicielMetamod23

111-1)La fenêtreprincipaleduprogramme24

111-1-1)Lepremiercadre"paramètres"25

111-1-2)Lecadre"calcul"25

111-1-3)Le cadre"graphe"26

111-1-4)Les séries debouton27

111-2)Menufichier.27

111-3)La fenêtre dudiagrammeZ-T29

111-3-2)La fenêtre"Graphe"29

CHAPITRE

CONCLUSIONET RECONIMANDATIONS39

BIBLIOGRAPHIE.41

VI 1

ANNEXES42

VII

LISTEDESANNEXES

Annexe1 :Exemplesdegraphiquestracésavec lelogicielMETAMOD.42

Annexe2 :Quelquescentralesgéothermiques55

Annexe3 :Productiond'électricitégéothermiquedans lemondeen 2000 61 Annexe4 : LegradientgéothermiquedansquelqueslocalitésduSénégal63 VIII 1

LISTE DESTABLEAUX

TableauIV-l:Les coûts36

TableauannexeIV-l:gradientdetempératuredanscertaineslocalités du

Sénégal65

TableauannexeIV-3:Températureau fond des puits de 4000m de profondeurdansquelqueslocalitésau Sénégal70 IX 1

LISTE DESFIGURES

Figure1-1:Sourcethermale5

Figure11-3:Productiond'électricitéavec lesgisementsde rocheschaudes sèches12

Figure111-2:Les fonctions dumenufichier28

Figure111-3:Fenêtrecoordonnées29

Figure111-4:Menu fichier.30

Figure111-5:Menu option31

Figure111-6:Menu flottant.32

x

LISTEDESSYNIBOLESET DESABREVIATIONS

P =Pression

T =Température

t=Temps dS =Elémentdesurface

S =Surface

Q =Qantitédechaleur(enjoule)

K =coefficientdeconductivité(w/mok)

gradT=Gradientde latempérature (X,Y,Z)=Coordonnéesde l'espace

Z =Profondeur

Zo=Profondeurinitialementchoisie

u =Vitesse

V=Volume

A =sourcedechaleur

K =

Kappa=diffusivitéthermique(en m

2/s) p(Rho)=-=massevolumique(en kg/rn")

Cp=Capacitéthermique(en

j/kgok)

V'=Gradient

=L'opérateurlaplacien

Qo=Fluxdechaleurà lasurfacedu sol (en w/m")

XI

T,=Températureinitialementchoisie

K, =Conductivitéthermiqueducuivre(w/mok)

Kr=Conductivitéthermiquede laroche(w/mok)

Teh=Températuredel'eauchaude

T fr =Températuredel'eaufroide Tl =Températurede la face du bloc decuivresituéau-dessusdel'échantillonet enregardavec la roche. T

2=Températurede la face du boe decuivresitué endessousde

l'échantillonet enregardavec la roche. Tl' =Températurede la facesupérieuredel'échantillon. T 2' =Températurede la faceinférieuredel'échantillon. a =Gradientgéothermiqueinitialedans la fenêtreprincipaledulogiciel

Metamod

Kb =kilobar

Ma=Milliond'années

g =Accélérationde lapesanteur(m/s 2) t max=Tempsmaximale t min =Tempsminimale Z max =Profondeurmaximale Z min =Profondeurminimale T max =Températuremaximale XII

Tmin=Températureminimale

Oc=degréCelsius

oR C=OrganicRankineCycle

Centrale0 R C

=centraleà fluidebinaire XIII

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Centre de ThièsDépartementGénieMécanique

Optionélectromécanique

1

INTRODUCTION

Projet de find'Etudes(2003-2004)MoustaphaNDlAYE

Ecole SupérieurePolytechnique_ESP

Centre de Thiès

INTRODUCTION

DépartementGénie Mécanique

Optionélectromécanique

Pendant des milliersd'annéeset sur tous les continents, despopulationsont profité de la

chaleur émise à la surface de la terre grâce aux sources thermales et aux fumerolles. Ensuite

dès le vingtième siècle ledéveloppementde la technologie de forage a permis de capter de manière efficaced'abondantesressourcesd'eauchaude et de vapeur dans des réservoirs naturels plus ou moins profonds. Utilisée dans près de soixante pays,l'énergiegéothermiqueestaujourd'huiune ressource .possédant des avantagesenvironnementauxetéconomiquereconnus sur les énergies fossile et àpartir des fluides géothermiques produit une énergie non polluante et sans déchets dansl'atmosphère.De mêmel'utilisationdes eaux géothermales permet de chauffer sans émission de gaz carbonique des groupes de serre ou de produits industriels.Finalementlesressources géothermiques de très basse température peuvent fournir le chaud

àdes fins particuliers.

Actuellement, seule une infime fraction des ressources géothermiques mondiale est utilisée. Certainesaméliorationstechnologiques et une meilleurereconnaissancede la vraie valeur de

la géothermie pourraient conduire à un fortdéveloppementde cette énergie propre et fiable

pour la majorité des pays du monde. Ce rapport porte sur la productiond'énergieélectrique en utilisant comme source de chaleur l'énergiegéothermique. En ce qui concerne laméthodologieutilisée dans ce travail ils'agirade voir: •D'oùprovient la chaleur terrestre. • Lestechnologiesutilisées pour extraire cette chaleur et produire del'électricité. •Commentvarie la température au niveau del'écorceterrestre. • Lasimulationde la variation de la température en fonction de la profondeur des roches avec le logiciel Metamod. •Recommandations 1

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CentredeThièsDépartementGénie

Mécanique

Optionélectromécanique

1

CHAPITRE1

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Optionélectromécanique

CHAPITRE1:L'ENERGIEGEOTHERMIQUE

Au centre de la terre règne une chaleur dontl'ordrede température varie entre 4000°c et 5000

oc,et cette chaleur arrive lentement par le manteaujusqu'àl'écorceterrestre où, à certains

endroits, elle peut être facilement récupérée. En effet,c'estcette chaleur qui réchauffe les eauxd'infiltrationet les expulse vers la surface sous forme de vapeur oud'eauchaude créant ainsi les sources thermales (voir figure 1-1ci après). .Mais pour utiliser cette chaleur, on ne peut forer n'importeoù : la température de la terre augmente en moyenne de 3°c par 100m deprofondeur,ce qui nous donne une différence de

30°c

à1000m sous la surface. Cette différence est insuffisante pour une exploitation géothermique.C'estpourquoil'ondoit chercher des zones de faiblesse del'écorceterrestre: cen'estque lorsque le magma se trouve près de la surface que les frais de forage permettent la rentabilité de larécupérationde la chaleur terrestre.

Une fois que le forage est effectué et lescanalisationsmise en place,l'eauest récupérée, sous

forme de vapeur oud'eauchaude,provenantsoit des eauxd'infiltrationsoit des eaux injectées par un deuxième système de canalisations (ce procédés'appelle"roche chaude sèche").

On peututiliserune centrale de deux manières, selonl'étatdel'eaurécupérée : si on récupère

del'eauchaude, la centrale fonctionne comme un énorme chauffage central et sil'onrécupère de la vapeur, la centrale devient une centrale électrique en utilisant cette vapeur pour faire tourner une turbine et ainsi grâce àun alternateur, produire del'électricitéde manière non polluante. 1

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Rechargeerea

Hotspl'irlgor

stearnvent

DépartementGénieMécanique

Optionélectromécanique

FlOwofnsat

(conduction)

MagrTlQ,ticintrusion

Figure1-1:Sourcethermal

(adaptedfrom :volcanoes:crucibleofchangePrincetonuniversityUSA, 1997) La chaleur de la terre augmente avec laprofondeur.Les mesures récentes del'accroissement de latempératureavec la profondeur, appelée gradientgéothermique,ont montré que cette valeurn'étaitpasuniformeà la surface du globe. En moyenne, latempératurecroîtd'environ

3°C pour 100 mètres, maïs de nombreuses régions ont desgradientsgéothermiquesanormaux

: 10°C par 100 mètres en Alsace et mêmeexceptionnellement100°C par 100 mètres à Larderello (Italie), par contre 1°C par 100 mètres près de Padoue. Dans lenord-Estdu Maroc, le gradient élevé de 35 à 50 °C/ Km et jusqu'àplus de 65 oC/Km en Aboran. Ce gradient dépend de laconductivitéthermique des roches et du fluxgéothermiquequi est del'ordrede

0,05 W/m2, soit environ 4 000 fois moins que la valeur moyenne du flux solaire (200 W/m2).

En France il varie entre 0,05 W/m2 et 0,13 W/m2. Les fortes valeurs sontexpliquéespar la présence, àquelquesmilliers de mètres sous la surface de la terre, de roches chaudes correspondant,soit à des pochesmagmatiquesliées à desphénomènesvolcaniquesactuels ou

assez récents, soit à une remontée locale du manteau (partie du globe terrestre,intermédiaire

entre le noyau et l'écorce.' épaisse de 3000 km )dont laprofondeurhabituellevarie de 70 à 1 >0•__

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Optionélectromécanique

2900 km.Surla base de cecritère,ondistinguedeuxsortesd'énergiegéothermiquefort

différentesdans leurmanifestationet leursutilisations:

1°)La géothermie basseenthalpie:

Lagéothermiebasseenthalpieest due augradientgéothermiquemoyenoulégèrement supérieur àlamoyenne; ellepermetd'obtenirdestempératurescomprisesentre30 et 100 degréscelsius.De desserres,à lapiscicultureet àquelquesusagesindustrielsouagricoles.

IlO)La géothermie hauteenthalpie:

Lagéothermiehauteenthalpieest liée à laprésencederocheschaudespeuprofondes; elle conviennentà laproductiond'électricité. 1

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1

CHAPITREII

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Option

électromécanique

CHAPITREII:EXTRACTIONDE LACHALEURDU SOUS- SOL ET

PRODUCTION

D'ELECTRICITE

1°)Engéothermiebasseenthalpie:

Engéothermiebasseenthalpiel'exploitationse faitàl'aidede forages. Dans lamajoritédes cas, l'eauétantsaumâtre,onprévoitunpuitd'arrivéed'eauchaudeet un puit deréinjection, ce quipermetaussi demaintenirlapressiondans lanappeaquifère.Laréinjectionprovoque, .de façon trèslentelerefroidissementdugisement: il y a donc unebaisseprogressivede

l'énergierécupéréeaprès unepérioded'exploitationd'environ30 ans. Enraisonderisquesde

corrosion, l'eaugéothermalenecirculepasdirectementdans lesappareilsdechauffagechez l'usager:onutiliseunéchangeurdechaleuravec uncircuitsecondaired'eaudouce. Onpeut aussiutiliserunsystèmedepompesàchaleurafin demieuxvaloriserl'investissement d'un doubletde forage(l'eaugéothermaleest ainsiréinjectéeà trèsbassetempérature.

11°)Engéothermiehauteenthalpie:

Engéothermiehauteenthalpiedans les rares cas où de lavapeursèchepeutêtrerécupérée,

l'exploitationestsimplepuisqu'onaaffaire estfabriquéegratuitement.Dans lamajoritédes cas, c'estunmélangeeau-vapeurquel'on récupère. Il faut alorsséparerles deuxphasesavantd'utiliserla vapeur.

Lachaleurgéothermiquepeut-êtreexploitéegrâceàlaprésencedans lesous-soldevéritables

gisementsoù setrouvestockéel'énergiecalorifique.Selonlanaturedesterrains,onclassera vapeur,réservoirsd'eauchaude,ouroches chaudessèches.Lesdeuxpremierstypes degisementssontconstituéspar desinfiltrations d'eaucirculantdans une.couchegéologiqueperméableetporeuse.recouvertedeterrains imperméables. 1

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IVO)Productiond'électricité:

1°)Avecréservoirsde

vapeur:

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Sil'eaudegisementestpartiellementvaporisée, elle pourra être récupérée sous la forme de

vapeur sèchedirectementutilisable pour faire tourner les turbines des centrales électriques.

Puis cette vapeur est condensée à la sortie de la turbine avantd'êtreréinjectée dans le

gisement (voir le FigureII-I).Cependant, ces gisements de vapeur sontrelativement rares: dans le monde entier, on ne connaît guère que Lardello (Italie), les Geysers (Californie),

Matsukawa(Japon).

1

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11-]:Production d'électricitéavec réservoirde

(IDHONATIONALENGINEERlNG ANDENVIRONMENTALLABORATORY,USA)

2°)Avecréservoirsd'eauchaude:

Le plussouvent,l'eaudesgisementsgéothermiquesresteliquideetsuivantsatempérature,

Projetde fin

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Dans cederniercas, labaissedepressionque subitl'eauchaudependantsaremontéevers la surfaceproduitsavaporisationde sorte qu'entête de puits ondisposed'unmélange diphasiqueeau- vapeur. Cettevapeurseraséparéedel'eaupourfairetournerune turbine qui estaccouplée

àun

L'eauqui estséparéede lavapeur peut êtreutiliséepour lechauffage.Lavapeur est condensée àlasortiede laturbinepuisréinjectéedans legisement.

POWêrPJanl

,t

Airand

1Wattr

Figure11-2:Productiond'électricitéavec réservoird'eauchaude

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Il

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3°) Avec lesgisementsderoches

chaudessèches:

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Sil'existencedugisementestévidenteilexisteen touspointsdu globe des rochessèches, commelegranite parexemple,quisontà destempératuresdel'ordrede 250 0

à 300

0

C à 600

mètres deprofondeur sonaccessibilitéresteàdémontrer:en effet, pourutilisercettechaleur, il faut un fluidecaloporteur(l'eauparexemple),quicirculedans unéchangeurcréé artificiellementparfracturationfine de la roche. Undeuxièmefluidedontlatempératurede vaporisationestinférieure àcelle du fluidecirculantdans lesroches(l'isobutaneparexemple) est utilisé dans undeuxièmecircuitpour fairetournerune turbine.(VoirFigureII-3)

SinaryCyclePowerPlont

itAlr.nef.

J.WLtrVapo,

,-0..... ter FigureII-3 :productiond'électricitéavec lesgisementsde rocheschaudessèches

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On peut citerl'expériencede Soulz- sous- Forets enFrance: ils'agitde fairecirculerdel'eau vers3500 mètres sous terre afin derécupérer50 MWthermiquesà moins de 200 "C pour générer5 MWélectriques. D'importantsprogrèsrestentnécessairesavantd'exploiterce type degisementquireprésente la majeure partie du potentielgéothermiquemondial. centralebinairesur une.gamme desécoulementset destempératuresgéothermiquesde réservoir(grapheréalisépar le centred'hydrogéologieCHYNuniversitédeNeuchâtel,

Suisse).

11 9 ...,8 G)7 Z !5 2 -+-100C ....130C 160C
-+-190C C o2D406080100120 1

WaterFlowkg/s

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1CHAPITREIII

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CHAPITREIII:TEMPERATUREDANS LALITHOSPHERE

1°)Equationfondamentalede latransmissiondechaleur:

Soit un corps (S) dont latempératuren'estpas uniforme.

On a quelque soit M un pointappartenant

à(S) latempératureT(M)=T(X,Y,Z,t),c'est-à-dire que latempératureest fonction del'espaceet du temps.

Soit dS unélémentde surfaceappartenant

à(S) etcontenantle point M et N est la normaleà la surface. (Voir figure ci-dessous) La loi de Fourier exprime la quantité de chaleur

QtraversantdS sous laforme:

dQ=-KgradT.dS.N.dt

OùgradTest le gradient de latempérature.

K est lecoefficientdeconductivité

dt est ladifférentiellede temps Le signe (-) est arbitraire, mais permet decompterpositivementla quantité de chaleur qui s'écouledes régions les plus chaudes vers les régions les plus froides. 1

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