Approches novatrices pour réduire l'utilisation de l'eau dans la production d'énergie géothermique

L'énergie géothermique est une source d'énergie durable qui exploite la chaleur de la Terre pour produire de l'électricité, offrant une alternative à la production de combustibles fossiles à faible teneur en carbone. Cependant, les centrales géothermiques traditionnelles, en particulier celles qui utilisent des cycles à éclat ou à vapeur sèche, nécessitent souvent des quantités importantes d'eau pour le refroidissement et d'autres procédés.

Les défis de l'utilisation de l'eau dans la géothermie

Les centrales géothermiques classiques dépendent généralement de grandes quantités d'eau pour le refroidissement, ce qui peut entraîner une pression sur les ressources en eau locales, en particulier dans les régions arides comme l'ouest des États-Unis, l'Afrique de l'Est et certaines parties de l'Asie du Sud-Est. Par exemple, une centrale à éclair géothermique de 50 MW utilisant des tours de refroidissement humides peut consommer jusqu'à 3,5 ± 0,9 m3 MW−1 h−1 d'eau, selon le département américain de l'Énergie.

Approches novatrices de la réduction de l'eau

1. Technologies de refroidissement à sec

Les systèmes de refroidissement à sec utilisent l'air au lieu de l'eau pour condenser la vapeur, réduisant sensiblement – ou dans certains cas éliminant – la consommation d'eau. Il existe deux types principaux : les condenseurs refroidis à l'air et les tours de refroidissement à sec. Bien que le refroidissement à sec traditionnel soit moins efficace dans les températures ambiantes chaudes en raison de la réduction de la densité et de la capacité thermique de l'air, les progrès dans les matériaux et la conception améliorent les performances. Par exemple, l'utilisation de surfaces améliorées d'échangeurs de chaleur (p. ex. tubes à ailettes avec revêtement hydrophobe) augmente l'efficacité du transfert de chaleur.

2. Réinjection de liquides produits

De nombreuses usines géothermiques réinjectent maintenant des fluides géothermiques refroidis dans le réservoir, minimisant ainsi le retrait d'eau de sources externes. Ce système en boucle fermée non seulement conserve l'eau, mais contribue également à maintenir la pression du réservoir, prolongeant la durée de vie des ressources. Les taux de réinjection typiques dépassent 90 % de la saumure produite, mais des pertes peuvent survenir en raison de l'échelle, du dépôt de silice ou de la perméabilité.

3. Utilisation de sources d ' eau non disponibles

Aux États-Unis, le Department of Energy (Department of Geothermal Technologies Office) a financé plusieurs projets utilisant de l'eau recyclée pour le refroidissement. La centrale géothermique de la vallée de Dixie, au Nevada, utilise des eaux usées traitées provenant de ruissellements agricoles voisins, réduisant ainsi la consommation d'eau douce de plus de 1,5 million de m3 par an. Un autre cas novateur est la centrale géothermique d'Hellisheiði en Islande, qui utilise l'eau d'une rivière voisine, mais qui met également en place une installation de traitement de l'eau de pointe pour recycler l'eau de refroidissement à l'intérieur de l'organisme, réduisant ainsi considérablement l'apport global.

4. Cycle binaire avancé et systèmes de CO2 supercritiques

Les centrales géothermiques à cycle binaire, qui utilisent un fluide de travail secondaire (par exemple, l'isobutane ou le pentane) avec un point d'ébullition inférieur, fonctionnent déjà en boucles fermées avec une consommation minimale d'eau pour le cycle de puissance. Cependant, les conceptions binaires avancées intègrent maintenant des caractéristiques telles que les condensateurs refroidis à l'air ou la chaleur et l'énergie combinées (CHP) pour améliorer l'efficacité globale de l'eau. Un développement révolutionnaire est l'utilisation du dioxyde de carbone supercritique (sCO2) comme fluide de travail dans les systèmes géothermiques à boucle fermée. sCO2 absorbe la chaleur plus efficacement que la vapeur et élimine la nécessité de refroidir l'eau dans certaines configurations.

5. Systèmes géothermiques améliorés (SGE) et techniques de fracturation

Les innovations dans la fracturation – par exemple l'utilisation de CO2 liquide ou de mousse d'azote – réduisent l'intensité de l'eau. Par exemple, le projet Utah FORGE de DGE=US utilise une combinaison d'additifs à l'eau et de gel pour réduire au minimum l'utilisation totale de l'eau par étape de fracture. De plus, les techniques de pulsation de pression cyclique et de stimulation thermique peuvent créer de la perméabilité sans injection excessive d'eau. Le projet pilote EGS de Newberry Volcan en Oregon a permis de produire une production d'énergie continue en utilisant moins de 500 m3 d'eau par stimulation, une fraction de ce dont les projets antérieurs avaient besoin.

Orientations et recherche futures

Les recherches en cours visent à améliorer l'efficacité du refroidissement à sec, à mettre au point de meilleures techniques de réinjection et à explorer d'autres sources d'eau.

Amélioration de l'efficacité de refroidissement à sec

La recherche vise à augmenter les performances de refroidissement à sec grâce à des systèmes à double pression, au refroidissement à sec assisté par pulvérisation et au stockage d'énergie thermique pour transférer les charges de refroidissement à des heures plus froides. L'initiative avancée de refroidissement à sec de DOEs a financé des démonstrations de stockage thermique jumelées à des installations géothermiques, permettant une production d'énergie annuelle de 30 % plus élevée tout en utilisant un minimum d'eau.

Surveillance numérique et optimisation basée sur l'IA

L'intégration des capteurs d'Internet des objets (IoT) avec les algorithmes d'IA permet de surveiller en temps réel les conditions du réservoir, la chimie des fluides et l'efficacité du refroidissement. Par exemple, le système de surveillance du réservoir de Hornsby des Geysers utilise la détection de température distribuée par fibre optique pour détecter les zones chaudes et froides, guidant la réinjection pour maximiser la récupération de vapeur et minimiser la perte d'eau.

Matériaux avancés et géochimie

Les chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley ont développé un polymère thermoréactif qui peut extraire de l'eau de vapeur à haute température, potentiellement recycler jusqu'à 90 % de l'eau de procédé. Entre-temps, les traceurs géochimiques aident à cartographier le débit de fluide dans les réservoirs, permettant une gestion précise de la réinjection.

Approches complémentaires

Une autre voie prometteuse consiste à intégrer les installations géothermiques aux unités de dessalement, en utilisant la chaleur résiduelle pour produire de l'eau douce tout en refroidissant le fluide de travail. Un pilote de l'usine géothermique de Reykjanes en Islande a réalisé la coproduction de 300 m3/jour d'eau douce sans apport d'énergie supplémentaire.

En combinant refroidissement sec et refroidissement hybride, réinjection avancée, utilisation d'eau non potable et technologies émergentes comme les systèmes sCO2, l'industrie géothermique se dirige vers une consommation d'eau proche de zéro. Ces innovations non seulement améliorent la durabilité de l'énergie géothermique mais permettent également le déploiement dans les zones soumises à des contraintes hydriques, débloquant ainsi un vaste potentiel d'énergie propre et fiable.