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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE L'énergie géothermique. Technique d'extraction d'eau géothermique. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives L'énergie géothermique est obtenue à partir de sources de chaleur à haute température, elle présente certaines caractéristiques. L'un d'eux est que la température du liquide de refroidissement est nettement inférieure à la température pendant la combustion du carburant. Malgré le fait que les réserves totales d'énergie géothermique sont importantes, sa qualité thermodynamique est faible. Ces sources ont beaucoup en commun avec les émissions de chaleur industrielle et l'énergie thermique des océans. La stratégie d'utilisation de l'énergie géothermique est brièvement discutée ci-dessous. Combinaison d'opportunités et de besoins Les sources géothermiques sont toujours associées aux tentatives de production d'électricité en tant que produit le plus précieux, tandis que la meilleure façon d'utiliser l'énergie thermique est d'utiliser un mode combiné (production d'électricité et chauffage). Bien sûr, l'électricité peut être introduite dans le système électrique et transmise aux consommateurs avec l'électricité produite par d'autres sources. Dans le même temps, il n'est pas superflu de mentionner que la demande de chaleur à des températures allant jusqu'à 100°C est généralement encore plus élevée que celle de l'électricité. Ainsi, l'utilisation de l'énergie géothermique sous forme de chaleur est tout aussi importante. La production d'électricité est susceptible d'être intéressante si le fluide caloporteur a une température supérieure à 300°C, et ne le sera pas si celle-ci est inférieure à 150°C. La chaleur n'est pas facilement transférée sur des distances de plus de 30 km, elle doit donc être utilisée à proximité du site d'extraction. Dans les zones à climat froid, le chauffage des habitations et des bâtiments industriels crée un besoin de chaleur important si la densité de population est supérieure à 300 personnes au km1 (plus de 2 habitations au km100). Ainsi, une centrale thermique d'une capacité de 1 MW peut desservir une zone résidentielle d'environ 2x100 km avec une consommation de chaleur d'environ 20 kW par habitation. Un système géothermique similaire est utilisé depuis longtemps en Islande et, dans une moindre mesure, en Nouvelle-Zélande. Les autres grands consommateurs de chaleur sont les serres (jusqu'à 20 MW/km dans une unité pour l'Europe du Nord), les exploitations piscicoles, les usines de séchage des aliments et d'autres technologies. L'ampleur de l'utilisation de l'énergie géothermique est déterminée par plusieurs facteurs. Le coût dominant est le coût en capital de la construction du puits, dont le coût augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la profondeur. Étant donné que la température augmente avec la profondeur et que la production d'énergie augmente avec la température, dans la plupart des cas, la profondeur optimale du puits est limitée à environ 5 km. En conséquence, la taille des centrales électriques est généralement choisie supérieure à 100 MW (électrique ou thermique - pour les hautes températures, uniquement thermique - pour les basses températures). La quantité totale de chaleur récupérée d'un puits géothermique peut être augmentée par la réinjection de déchets et d'eau partiellement refroidie. C'est un moyen pratique de se débarrasser des eaux usées, qui peuvent être fortement minéralisées (contenir jusqu'à 25 kg/m3 de sels) et sont des polluants environnementaux dangereux. Cependant, cela entraîne une augmentation du coût des stations. Technique d'extraction de la chaleur Les projets mis en œuvre avec le plus de succès ont des puits forés directement dans les réservoirs souterrains naturels des zones géothermiques (Fig. 1). Cette méthode est utilisée dans les Geysers (Californie) et Wairakei (Nouvelle-Zélande), où il y a une pression importante dans les puits. Des méthodes similaires sont utilisées pour extraire l'énergie des aquifères dans les zones à haute température où la pression naturelle est suffisante pour se passer des systèmes de pompage. Les développements récents se concentrent sur l'extraction de la chaleur des roches sèches, car elles peuvent fournir une plus grande productivité que les sources d'eau. Le premier groupe de spécialistes (Los Alamos Scientific Laboratory, USA) a mis au point des méthodes de concassage des roches par fracturation hydraulique utilisant de l'eau froide injectée sous pression dans le puits (Fig. 1). Après concassage préliminaire de la roche, l'eau est injectée par un puits d'alimentation, filtrée à travers les roches à une profondeur d'environ 5 km à une température de 250°C, l'eau chaude remonte à la surface par un puits récepteur. Deux de ces puits peuvent fournir de l'énergie à une centrale gigawatt.
Systèmes de production d'électricité et d'énergie thermique. La sélection des échangeurs de chaleur et des turbines pour les sources géothermiques conventionnelles est une tâche complexe nécessitant une expertise spécialisée. Plusieurs options pour les schémas possibles de GeoTPP sont illustrées à la fig. 6.2. Si des sources à basse température sont utilisées pour générer de l'électricité, d'autres fluides de travail (par exemple, le fréon, le toluène) doivent être utilisés à la place de l'eau pour entraîner les turbines. Les nouveaux types de technologie doivent être plus efficaces. Des difficultés particulières peuvent survenir avec les échangeurs de chaleur en raison de la forte concentration de divers produits chimiques dans l'eau de puits. Le coût en capital de la construction d'un GeoTPP varie actuellement de 1500 2500 $ à XNUMX XNUMX $. par kilowatt de puissance électrique installée, comparables à ceux des centrales nucléaires et des centrales thermiques. Les principaux consommateurs de ressources géothermiques dans un avenir proche et lointain seront sans aucun doute l'approvisionnement en chaleur et, dans une bien moindre mesure, la production d'électricité. Priorité de l'apport de chaleur dans le bilan d'utilisation de l'électricité géothermique.
La technologie géothermique pour extraire l'énergie thermique du sous-sol est un ensemble de méthodes, de moyens et de processus pour extraire, traiter et fournir un caloporteur avec une qualité donnée et un niveau de marché d'efficacité économique de son utilisation. L'utilisation de la géothermie basse température à faible profondeur peut être considérée comme un phénomène technico-économique ou une véritable révolution dans le système d'approvisionnement en chaleur. En moins de 10 ans, une technologie multi-variante a été développée aux États-Unis et des centaines de milliers de systèmes d'alimentation en chaleur fonctionnels ont été construits. Au moins 50 à 80 2002 nouveaux systèmes sont mis en service chaque année. Cette technologie est mise en œuvre avec succès dans d'autres pays du monde : Suède, Suisse, Canada, Autriche, Allemagne, Russie. En 450, il y avait environ 2.9 10 systèmes de ce type fonctionnant dans le monde avec une capacité totale de XNUMX GW (t), avec une moyenne de -XNUMX kW (t). Les systèmes géothermiques de surface (peu profonds) sont utilisés pour chauffer et refroidir divers types de bâtiments résidentiels (de l'individuel au multi-appartements), des stations-service, des supermarchés, des églises, des établissements d'enseignement, etc. L'essence des technologies envisagées, représentées par des systèmes à faible profondeur (installations minières et énergétiques) avec échange de chaleur dans des puits et des canaux, consiste à créer un échangeur de chaleur souterrain, à circuit fermé ou ouvert, situé à faible profondeur (50 - 300 m) et raccordé à une pompe à chaleur installée à l'intérieur du local chauffé (Fig. 6.3). Dans le même temps, sur le territoire de la Russie centrale, des températures de roche comprises entre 7 et 15 ° C peuvent être utilisées. Ces systèmes extraient non seulement l'énergie géothermique stockée dans les roches ou l'eau, mais aussi l'énergie solaire. La part spécifique de telle ou telle énergie utilisée par l'installation dépend de la profondeur de l'échangeur de chaleur, des conditions climatiques et hydrogéologiques de la zone. En Russie, il existe une expérience positive dans la construction et l'exploitation de telles installations géothermiques. En particulier, dans la région de Yaroslavl, un système d'alimentation en chaleur pour une grande école rurale a été construit et fonctionne pour la deuxième année, trois autres unités de ce type sont en cours de conception et de construction.
Une évaluation des technologies géothermiques utilisées dans la pratique mondiale montre qu'elles peuvent être utilisées pour fournir une large gamme de consommateurs d'énergie thermique : d'un microquartier urbain à une maison individuelle. Sur la base de systèmes de circulation géothermique (GCC), constitués d'un doublet de puits profonds (jusqu'à 1,5 - 2,5 km), utilisant des pompes à chaleur et un réchauffage de pointe, des modes de chauffage à haute température (90 ° C et plus) sont obtenus avec un puissance calorifique pouvant atteindre plusieurs dizaines de MW. La technologie des pompes à chaleur géothermiques en puits 50 - 150 m correspond aux conditions de moyenne température et de basse température, pour des applications commerciales (commerces, bureaux, etc.) et municipales (écoles, hôpitaux, etc.) et logements et services communaux, avec une puissance allant jusqu'à 0,1-0,4 MW. Sur la fig. 6.4 montre les schémas d'approvisionnement en chaleur avec de l'eau géothermique.
Le principal critère d'évaluation des effets économes en énergie, économiques et environnementaux des installations géothermiques avec une pompe à chaleur électrique est le coefficient d'utilisation des vecteurs énergétiques primaires (PIEC), qui est déterminé par le produit de l'efficacité. production d'électricité (CPIe = 0,30 - 0,35) par la moyenne, sur la durée de vie de l'installation, du facteur de conversion de la pompe à chaleur (CHPTC). La gamme de SFTC qui peut être obtenue en utilisant des sources géothermiques, du sol aux saumures de réservoir, à des températures de 5 - 7°C à 35 - 40°C, de 3 à 7 unités et plus. Ainsi, selon le type de source, des niveaux de KIPI de 1,1 à 2,5 unités peuvent être obtenus, soit 1,2 à 7,0 fois plus élevés que pour les chaudières traditionnelles (Fig. 6.5). L'efficacité d'une centrale géothermique avec une PAC électrique est d'autant plus élevée par rapport à une centrale à chaudière traditionnelle que le ratio de leurs KPI est élevé. D'où les économies de consommation d'énergie et la réduction des émissions nocives : 20 - 70 %. La hausse des prix des carburants importés et des coûts de transport a aujourd'hui prédéterminé le développement accéléré de l'énergie géothermique au Kamtchatka, dans les îles Kouriles et dans les régions du nord de la Russie. Sur la fig. 6.5 montre les coefficients d'utilisation des vecteurs énergétiques primaires dans les chaudières traditionnelles et géothermiques.
La Russie a de nombreuses années d'expérience dans la recherche de champs géothermiques, la réalisation d'opérations de forage sur ceux-ci et l'exploitation du GeoPP. Depuis plus de 30 ans, le Pauzhetskaya GeoPP (sud du Kamtchatka) fournit l'électricité la moins chère au village d'Ozernaya, où se concentre l'essentiel de la production de caviar rouge. Dès 1967, la Russie a été le premier pays au monde à créer un GeoPP avec un cycle binaire utilisant de la chaleur de basse qualité (eau chaude - 95°C) sur le champ géothermique de Paratunsky au Kamtchatka. Auteur : Magomedov A.M.
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