L'énergie géothermique est devenue une ressource renouvelable essentielle dans la transition mondiale vers des systèmes énergétiques à faible intensité de carbone. Cette capacité de double génération augmente considérablement l'efficacité globale du système, dépassant souvent 80 %, soit de loin les 10 à 15 % typiques des centrales géothermiques autonomes. En capturant la chaleur qui serait autrement gaspillée, le CHP géothermique réduit l'utilisation du combustible, réduit les émissions et fournit une source d'énergie stable et de base.

Fondements de l'énergie géothermique

L'énergie géothermique provient de la chaleur interne de la Terre, qui est continuellement produite par la décomposition des isotopes radioactifs et de la chaleur résiduelle de la formation planétaire. Cette chaleur est stockée dans les roches et les fluides de la croûte et devient accessible lorsque les conditions géologiques lui permettent de s'élever près de la surface. La ressource est essentiellement inépuisable à l'échelle du temps humain, ce qui en fait une source d'énergie véritablement durable.

Types de ressources géothermiques

Toutes les ressources géothermiques ne sont pas semblables, et le type de ressource détermine en grande partie la technologie qui convient aux applications de PCC.

  • Les réservoirs hydrothermaux sont les systèmes les plus couramment exploités, qui consistent en une eau chaude naturelle et de la vapeur piégée dans des roches perméables. Ces systèmes peuvent être exploités à des profondeurs de 1 à 3 km et nécessitent un risque de forage relativement faible. Les ressources hydrothermales à haute température (>150 °C) sont idéales pour la production d'électricité, avec la chaleur restante adaptée au chauffage urbain ou à des utilisations industrielles.
  • Les systèmes géothermiques améliorés élargissent le potentiel de l'énergie géothermique dans des régions sans réservoir hydrothermal naturel. En injectant de l'eau dans des roches chaudes et sèches à des profondeurs de 3 à 10 km et en créant ou en élargissant des fractures par stimulation hydraulique, EGS crée un réservoir artificiel. Bien qu'EGS soit encore en phase de démonstration, il promet de débloquer de vastes ressources géothermiques à l'échelle mondiale, potentiellement en fournissant des milliers de gigawatts de capacité de charge de base pour la puissance et la chaleur.
  • Les systèmes aquifères profonds impliquent de grandes quantités d'eau chaude piégée dans des bassins sédimentaires profonds. Ces systèmes fournissent généralement des fluides à des températures modérées (60–120 °C), ce qui les rend bien adaptés pour une utilisation directe de la chaleur dans les réseaux de chauffage urbain.

Technologie combinée de la chaleur et de l'énergie pour la géothermie

Dans un système de CHP géothermique, le chemin énergétique est conçu pour maximiser l'énergie utile extraite du fluide géothermique. Le processus commence lorsque la saumure chaude ou la vapeur est amenée à la surface par des puits de production. Après avoir enlevé les impuretés, le fluide s'étend directement par une turbine (dans des installations de vapeur sèche et de vapeur éclair) ou transfère sa chaleur à un fluide de travail secondaire dans une usine à cycle binaire. La turbine conduit un générateur à produire de l'électricité.

Fonctionnement du CHP géothermique

Dans les centrales à chaleur conventionnelles, la chaleur résiduelle est dissipée dans les tours de refroidissement ou rejetée dans l'environnement. Dans une configuration de CHP, cette chaleur est captée et livrée à une charge thermique. La température du fluide géothermique après production d'électricité varie généralement de 60 à 100 °C, ce qui est plus que suffisant pour le chauffage des locaux, l'eau chaude domestique et de nombreuses applications industrielles comme le séchage des aliments ou la pasteurisation du lait.

Efficacité Avantages de l'intégration du PCC

L'efficacité d'une centrale géothermique spécialisée est intrinsèquement limitée par le cycle de Carnot et la température relativement basse des fluides géothermiques par rapport à la combustion de combustibles fossiles. Les centrales géothermiques typiques ne produisent que 10 à 15 % d'efficacité thermique. En ajoutant la récupération de chaleur, les systèmes de CHP peuvent augmenter le facteur d'utilisation de l'énergie globale (la fraction de l'énergie géothermique extraite qui est mise à l'oeuvre) à 80 % ou plus. Cette amélioration a des implications économiques et environnementales importantes : le même puits géothermique produit plus d'énergie utile, réduisant le coût de l'énergie normalisé et réduisant les émissions de gaz à effet de serre par unité d'énergie fournie.

Avantages de la géothermie pour les systèmes CHP

Le CHP géothermique offre une série d'avantages qui le distinguent des autres technologies de CHP renouvelables, comme la biomasse ou la chaleur solaire.

  • Haute efficacité globale. La production simultanée d'électricité et de chaleur soulève l'efficacité pratique bien au-delà de celle des centrales électriques autonomes.
  • L'exploitation renouvelable et durable La chaleur géothermique est naturellement reconstituée; la gestion responsable des réservoirs, comme la réinjection des fluides usés, peut être maintenue pendant des décennies.
  • Très faibles émissions Les centrales de PCC géothermiques émettent des gaz à effet de serre minimes, principalement des traces de dioxyde de carbone et de sulfure d'hydrogène, qui peuvent être captées ou atténuées.Sur une base de cycle de vie, l'électricité géothermique émet environ 38 g CO2eq/kWh, soit beaucoup moins que le charbon (~1 000 g) ou le gaz naturel (~500 g).
  • Approvisionnement fiable en charges de base. Les ressources géothermiques fonctionnent 24/7, peu importe le temps, offrant une charge de base stable qui peut être envoyée pour répondre aux besoins électriques et thermiques.Cette fiabilité est particulièrement importante pour les réseaux de chauffage urbain qui fonctionnent en continu pendant les saisons de chauffage.
  • Petite empreinte physique. Une centrale géothermique de CHP produit une densité d'énergie très élevée par unité de surface terrestre comparativement aux installations solaires ou éoliennes. Les coussinets de puits et le bloc d'énergie occupent une superficie relativement petite, laissant les terres environnantes disponibles pour l'agriculture ou d'autres utilisations.
  • Les co-avantages pour les économies locales.[ Les projets de PSC géothermiques créent des emplois spécialisés dans le forage, l'exploitation et l'entretien des installations.

Défis et considérations

Malgré ces avantages, le déploiement de CHP géothermique n'est pas sans obstacles. Le développement de projets réussis nécessite une évaluation minutieuse des ressources, un capital initial substantiel et une gestion efficace des impacts environnementaux et sociaux.

Facteurs économiques

Les projets géothermiques sont à forte intensité de capital, les forages et les explorations représentant généralement 30 à 50 % du coût total du projet. Les puits peuvent coûter des millions de dollars à forer et le risque de forage de puits secs ou à faible productivité ajoute une incertitude financière importante. Toutefois, une fois qu'une ressource est confirmée, les coûts d'exploitation sont faibles, principalement liés à l'entretien, au pompage et à la manutention des fluides.

Considérations environnementales et sociales

Le forage peut causer des perturbations du sol, du bruit et un potentiel de sismicité induite mineure, en particulier dans les systèmes géothermiques améliorés où la stimulation hydraulique est utilisée. L'extraction de fluides géothermiques peut également entraîner le rejet de gaz non condensables, y compris de petites quantités de CO2, de sulfure d'hydrogène (H2S) et de métaux traces. Les usines modernes intègrent des systèmes de réduction du H2S (p. ex., le procédé de Stretford) et réinjectent des fluides usés pour gérer les impacts des eaux souterraines. La consommation d'eau est une préoccupation pour certaines installations géothermiques; toutefois, dans les configurations de CHP où la chaleur est fournie pour le chauffage urbain, la demande globale d'eau par unité d'énergie utile est souvent inférieure à celle des centrales électriques classiques ou du chauffage individuel au moyen de chaudières à gaz naturel.

Défis techniques

Les fluides géothermiques peuvent être corrosifs et sujets à l'échelle en raison de fortes concentrations de minéraux dissous (silica, carbonate de calcium), ce qui nécessite des matériaux robustes et un entretien régulier des puits, des échangeurs de chaleur et des turbines. Comme le réservoir est exploité, les températures et les pressions peuvent diminuer au fil du temps, ce qui nécessite une gestion prudente du réservoir, souvent en réinjectant de la saumure refroidie pour maintenir la pression et le balayage thermique.

Déploiement mondial et études de cas

La viabilité pratique du CHP géothermique est mieux illustrée par les installations existantes qui fonctionnent avec succès depuis des décennies.

Islande : Le leader mondial

L'Islande est située sur la crête du Moyen-Atlantique et possède d'abondantes ressources géothermiques à haute température. Le pays a intégré le CHP géothermique à l'échelle nationale : la quasi-totalité de l'électricité de la capitale, Reykjavik, est produite à partir de la géothermie, et la chaleur est distribuée par le plus grand réseau de chauffage urbain du monde. L'usine géothermique Hellisheidi, par exemple, a une capacité de 303 MW[e et 133 MWe, fournissant à la fois de l'énergie et de l'eau chaude pour la région de la capitale.

États-Unis : accroître le potentiel

Les États-Unis ont la plus grande capacité géothermique de n'importe quel pays (plus de 3,5 GW), principalement en Californie, au Nevada et en Utah. Bien que la plupart soient des centrales à énergie seule, plusieurs poursuivent des rénovations de CHP. Par exemple, l'usine Blundell à Utah (propriété d'Enel Green Power) a fourni de la chaleur géothermique à une serre végétale voisine depuis des décennies. Plus récemment, l'étude GeoVision du département américain de l'énergie (2019) a identifié plus de 300 GW de potentiel de CHP géothermique à l'échelle nationale, notamment grâce à des systèmes géothermiques améliorés.

Philippines et autres pionniers de la géothermie

Les Philippines sont le deuxième producteur mondial d'énergie géothermique. En raison de la présence de nombreuses installations sur des îles à faible capacité de réseau, le CHP n'est pas encore répandu, mais il existe des possibilités pour les utilisateurs industriels de chaleur (p. ex., transformation de noix de coco, fabrication d'aliments).En Europe, France Le bassin de Paris a une longue histoire d'utilisation de la géothermie à faible enthalpie pour le chauffage urbain via les pompes à chaleur prêtes à CHP.

Perspectives et innovations futures

L'avenir du CHP géothermique semble brillant, motivé par des améliorations technologiques, une reconnaissance croissante de la valeur de la chaleur dans les transitions énergétiques propres et des politiques de soutien.

Systèmes géothermiques améliorés (SGE)

En rendant les ressources géothermiques accessibles partout, et non seulement dans les régions volcaniques, l'EGS pourrait multiplier le potentiel géothermique théorique par plus de 100. L'objectif du département américain de l'Énergie est de réduire les coûts de l'EGS à 60 $/MWh d'ici 2035, ce qui rendrait le CHP géothermique compétitif par rapport aux centrales à cycle combiné au gaz naturel. Les démonstrations effectuées sur le site FORGE (Utah) et le projet EGS Newberry (Oregon) ont montré que les techniques de stimulation peuvent être contrôlées pour prévenir une sismicité excessive et que la circulation à long terme est possible.

Systèmes hybrides

L'intégration du CHP géothermique à d'autres sources renouvelables peut améliorer la viabilité économique et la flexibilité opérationnelle. Par exemple, le solaire thermique peut servir à préchauffer le fluide de travail géothermique, en augmentant la puissance du bloc d'énergie pendant les heures de pointe du soleil. L'énergie éolienne et solaire peut également alimenter des pompes à chaleur qui rechargent un réservoir géothermique (appelé batterie thermique géothermique -ou -Audi-concept), stockant l'énergie renouvelable intermittente comme chaleur souterraine pour la récupération ultérieure du CHP. Ces installations hybrides peuvent fournir une énergie expéditionable, une charge de base et de la chaleur tout en utilisant uniquement des intrants renouvelables.

Tendances en matière de politique et d'investissement

L'aide gouvernementale est essentielle pour accélérer le déploiement du CHP géothermique.Le US Inflation Reduction Act (2022) comprend des crédits d'impôt élargis pour la production d'électricité géothermique (article 45Y) et des crédits d'investissement autonomes pour les pompes à chaleur, qui peuvent encourager les rénovations du CHP. Le plan REPowerEU de l'Union européenne vise une augmentation significative de l'utilisation de la chaleur géothermique, avec des fonds spécifiques pour la modernisation du chauffage urbain.

Conclusion

L'énergie géothermique, lorsqu'elle est utilisée dans des systèmes combinés de production de chaleur et d'électricité, offre une voie unique et puissante pour décarboner l'électricité et la production de chaleur. En utilisant le même fluide géothermique d'abord pour produire de l'électricité puis pour répondre à la demande thermique, la technologie de CHP extrait une valeur maximale de la ressource, obtenant des rendements supérieurs à 80 % tout en émettant des gaz à effet de serre minimes. La technologie est éprouvée à l'échelle de pays comme l'Islande et s'étend dans de nouveaux environnements géologiques grâce à des systèmes géothermiques améliorés et à des configurations hybrides.