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18.4 : Énergie géothermique

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    L'énergie géothermique provient de la chaleur remontant à la surface à partir du noyau de fer fondu créé lors de la formation et de la compression de la Terre primitive, ainsi que de la chaleur produite en continu par la désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du potassium dans la croûte terrestre. Les centrales géothermiques exploitent cette énergie thermique pour produire de l'électricité de la même manière que la chaleur provenant de la combustion du charbon génère de l'énergie (figure\(\PageIndex{a-c}\)). L'eau est injectée sous terre et chauffée. La vapeur qui émerge peut être utilisée directement, la chaleur peut être transférée dans le système fermé d'un autre fluide, qui bout ensuite (figure\(\PageIndex{c}\)). Quoi qu'il en soit, la vapeur (ou un autre gaz à haute pression) fait tourner une turbine et alimente un générateur.

    La vapeur émerge d'une centrale géothermique, un réseau de structures métalliques
    Figure\(\PageIndex{a}\) : De la vapeur est libérée par une centrale géothermique. Photo prise par Open Access Government (CC-BY).
    Un schéma de centrale géothermique montre plusieurs puits permettant d'accéder à la chaleur provenant du sous-sol
    Figure\(\PageIndex{b}\) : Dans une centrale géothermique, du fluide géothermique est injecté sous terre. (L'eau géothermique fait référence à l'eau chaude/à la vapeur utilisée dans ce processus.) Il améliore la perméabilité des roches et est chauffé sous terre. Il sort à la surface par des puits de production, où il est utilisé pour produire de l'électricité dans la centrale géothermique. De la vapeur d'eau est libérée par l'installation de refroidissement de la centrale. Pour recycler le fluide géothermique, celui-ci est renvoyé dans le réservoir et réinjecté dans le sol. Image tirée de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables/Département américain de l'Énergie (domaine public).
    Dans une centrale géothermique, l'eau chaude provenant du sous-sol est convertie en vapeur et fait tourner une turbine
    Figure\(\PageIndex{c}\) : (1) Dans une centrale géothermique, de l'eau chaude est pompée des profondeurs souterraines à travers un puits sous haute pression. (2) Lorsque l'eau atteint la surface, la pression baisse, ce qui provoque la transformation de l'eau en vapeur. (3) La vapeur fait tourner une turbine, qui est connectée à un générateur qui produit de l'électricité. (4) La vapeur se refroidit dans une tour de refroidissement et se condense à nouveau en eau. (5) L'eau refroidie est pompée dans la Terre pour recommencer le processus. Image et légende (modifiées) provenant de l'EPA (domaine public).

    Les pompes à chaleur géothermiques (pompes à chaleur géothermiques) dépendent des températures froides du sous-sol pour refroidir ou chauffer les maisons (figure\(\PageIndex{d}\)). Elles sont parfois considérées comme un deuxième type d'énergie géothermique, mais elles constituent également un moyen de conservation de l'énergie. Les thermopompes géothermiques utilisent un système d'échange de chaleur qui fonctionne sous la surface à environ 5 mètres (20 pieds) sous la surface, qui est constamment fraîche (environ 55 °F, ou 12,5 °C). Le liquide est pompé sous terre, puis dans les conduits de la maison. Cela permet de rafraîchir la maison pendant l'été, en faisant office de dissipateur de chaleur. Lors d'un hiver froid, il réchauffe la maison à 55° F (agissant comme source de chaleur), et les systèmes de chauffage traditionnels font le reste. Cela réduit la consommation d'énergie requise pour générer de la chaleur à partir du gaz, de la vapeur, de l'eau chaude et des systèmes de climatisation électriques classiques.

    Le schéma de la pompe à chaleur géothermique montre un tube contenant du fluide qui passe sous terre et transfère la chaleur au bâtiment.Le schéma de la pompe à chaleur géothermique montre un tube avec un fluide qui passe sous terre, évacuant la chaleur du bâtiment.
    Figure\(\PageIndex{d}\) : Une pompe à chaleur géothermique (thermopompe géothermique) en mode chauffage (en hiver ; à gauche) et en mode refroidissement (en été ; à droite). Le mode chauffage comporte quatre étapes (à gauche). (1) Circulation : La pompe à chaleur hors sol fait circuler de l'eau ou un autre fluide à travers une série de tuyaux enterrés ou de boucles souterraines. (2) Absorption de chaleur : Lorsque le fluide traverse la boucle souterraine, il absorbe la chaleur du sol, de la roche ou de l'eau souterraine plus chauds qui l'entourent. (3) Chaleur échange et utilisation : Le fluide chauffé retourne dans le bâtiment où il a été utilisé pour le chauffage des locaux ou de l'eau. Le système utilise un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur dans le système de traitement, de distribution et de ventilation de l'air existant du bâtiment. (4) Recirculation : Une fois que le fluide a transféré sa chaleur au bâtiment, il retourne à une température plus basse dans la boucle souterraine pour être réchauffé à nouveau. Ce processus est répété en déplaçant la chaleur d'un point à un autre. Les quatre étapes du mode refroidissement (à droite) sont similaires : (1) échange et absorption de chaleur, (2) circulation, (3) évacuation de la chaleur et (4) recirculation. Images et légendes (modifiées) provenant de l'EPA (domaine public).

    Cette vidéo explique la construction et le mécanisme des pompes à chaleur géothermiques.

     

    Non seulement l'énergie géothermique a de multiples applications (production d'électricité, chauffage et refroidissement), mais elle est également fiable. Bien que l'énergie solaire et éolienne soit intermittente, la chaleur est constamment émise depuis les profondeurs du sous-sol. De plus, les températures fraîches plus proches de la surface nécessaires aux pompes à chaleur géothermiques sont présentes toute l'année et sur tous les sites. Les centrales géothermiques destinées à la production d'électricité ne peuvent toutefois être construites que dans des endroits spécifiques où le magma chaud est suffisamment proche de la surface de la Terre. Ces sites sont généralement associés à des geysers, à des sources chaudes ou à des volcans (figure\(\PageIndex{e}\)). De plus, les centrales géothermiques sont coûteuses à construire.

    Des triangles sur une carte du monde indiquent l'emplacement des volcans du monde.
    Figure\(\PageIndex{e}\) : Localisation des volcans du monde. Ils sont concentrés le long des côtes ouest de l'Amérique du Nord et de l'Amérique du Sud, ainsi que juste à l'est de l'Asie et de l'Australie. Ces régions, qui entourent l'océan Pacifique, forment ce que l'on appelle la ceinture de feu. Image de Salazar, S.S., Muñoz, Y. et Ospino, A. Analyse de l'énergie géothermique comme source alternative d'électricité en Colombie. Énergie géothermique 5, 27 (2017). (CC-BY)

    L'impact environnemental de l'énergie géothermique dépend de la manière dont elle est utilisée. L'utilisation de pompes à chaleur géothermiques n'a pratiquement aucun impact négatif sur l'environnement. Les centrales géothermiques ne brûlent pas de combustible pour produire de l'électricité, elles génèrent donc une pollution atmosphérique minimale. Ils rejettent moins de 1 % des émissions de dioxyde de carbone d'une usine de combustibles fossiles. Les centrales géothermiques utilisent des systèmes d'épuration pour nettoyer l'air du sulfure d'hydrogène naturellement présent dans la vapeur et l'eau chaude. Elles émettent 97 % de composés soufrés (l'une des causes des dépôts acides/pluies acides) en moins que celles émises par les centrales à combustibles fossiles. Une fois que la vapeur et l'eau d'un réservoir géothermique ont été utilisées, elles sont réinjectées dans la Terre. L'une des préoccupations environnementales associées aux centrales géothermiques est que le forage géothermique pendant leur construction a provoqué des tremblements de terre, similaires aux effets des puits d'injection pour la fracturation.

    Attribution

    Modifié par Melissa Ha de Renewable Energy and Challenges and Impacts of Energy Use from Environmental Biology par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)