Les systèmes géothermiques conventionnels comptent sur des réservoirs d'eau chaude naturels, mais EGS peut créer des réservoirs artificiels en injectant du fluide dans des formations de roches chaudes et sèches. L'un des principaux axes de la recherche actuelle est l'utilisation de fluides supercritiques – des substances chauffées et pressurisées au-delà de leur point critique – pour améliorer de façon spectaculaire l'efficacité et la production de ces systèmes. En exploitant l'eau supercritique ou le dioxyde de carbone, les ingénieurs visent à accéder à des ressources plus profondes et plus chaudes qui étaient auparavant inaccessibles, potentiellement doubler ou tripler la puissance par puits par rapport aux systèmes hydrothermaux conventionnels.

Qu'est-ce que les fluides supercritiques?

Un fluide supercritique existe dans un état où la distinction entre liquide et gaz disparaît. Cela se produit lorsqu'une substance est chauffée au-dessus de sa température critique et pressurisée au-dessus de sa pression critique. À ce stade, le fluide présente une combinaison unique de propriétés : il a une densité similaire à celle d'un liquide, mais sa viscosité et sa tension de surface sont plus proches de celles d'un gaz.

L'eau supercritique (SCW) – atteignant au-dessus de 374 °C et 22,9 MPa – possède une densité d'environ un tiers de celle de l'eau liquide mais une diffusion dix fois plus élevée. Cette combinaison lui permet de pénétrer des microfractures dans la roche qui résisteraient à l'eau liquide et de transporter la chaleur avec une efficacité beaucoup plus grande.

De même, le dioxyde de carbone supercritique (sCO2) – qui devient supercritique au-dessus de 31 °C et de 7,4 MPa – est un fluide de travail pour l'extraction de chaleur et la production d'électricité. Sa pression critique plus faible facilite sa manipulation, et son comportement chimique permet une réduction de l'échelle minérale et de la corrosion dans de nombreux environnements géothermiques.

L'avantage fondamental de l'utilisation de fluides supercritiques dans l'EGS réside dans leur capacité à transporter de grandes quantités d'énergie thermique avec des volumes relativement faibles de fluide, en raison de la capacité thermique élevée spécifique des phases supercritiques et de leur capacité à rester en une seule phase à travers une large gamme de pressions et de températures, évitant ainsi les pertes d'efficacité associées aux changements de phase.

Avantages des fluides supercritiques dans les systèmes géothermiques améliorés

L'intégration des fluides supercritiques dans la conception de l'EGS déplace de façon spectaculaire l'enveloppe de rendement.

Extraction de chaleur améliorée de Deeper, Hotter Rock

Les ressources hydrothermales conventionnelles sont limitées à des températures d'environ 300 °C et à des profondeurs généralement inférieures à 3 km. L'eau supercritique peut cependant accéder à des formations où les températures dépassent 400 °C à des profondeurs de 5 km ou plus. Dans ces conditions, la densité d'énergie thermique de la roche est beaucoup plus élevée et le taux d'extraction de chaleur par puits peut être plusieurs fois plus élevé.

Amélioration de la mobilité des fluides et du débit des réservoirs

L'un des plus grands défis de l'EGS est de maintenir un débit de fluide adéquat à travers les roches fracturées.

  • Viscosité inférieure:[ Le CO2 supercritique à des conditions de GES typiques a une viscosité environ 10 fois inférieure à celle de l'eau liquide. Cela lui permet de s'écouler plus facilement à travers des fractures étroites et des roches poreuses, augmentant ainsi la perméabilité effective du réservoir.
  • Tension de surface réduite :[ Avec une tension de surface négligeable, les fluides supercritiques peuvent pénétrer dans les microfractures qui bloqueraient l'eau liquide en raison des forces capillaires.

Ces caractéristiques de débit permettent aux fluides supercritiques de circuler dans le réservoir avec moins de puissance de pompage, réduisant ainsi les pertes d'énergie parasitaire et améliorant la puissance nette du système.

Efficacité thermodynamique supérieure pour la production d'énergie

Dans une centrale géothermique, l'efficacité de la conversion de la chaleur en électricité est fondamentalement limitée par la différence de température entre la source de chaleur (le fluide géothermique) et l'évier froid (conditions ambiantes). Les fluides supercritiques permettent au système de fonctionner à des températures de source plus élevées, ce qui augmente directement l'efficacité du Carnot. De plus, les fluides supercritiques de travail dans le cycle de puissance lui-même – comme le sCO2 dans un cycle Brayton en boucle fermée – peuvent atteindre une efficacité thermique de 45 à 50%, contre 10 à 20% pour les cycles classiques de Rankine organiques utilisés avec des fluides géothermiques à température modérée.

Propriétés chimiques favorables

Le CO2 supercritique présente des avantages chimiques supplémentaires dans certains milieux géologiques. Il est relativement inerte et ne dissout pas les minéraux aussi agressivement que l'eau subcritique, ce qui peut aider à réduire l'écrasement et la salissure dans les puits de production et les équipements de surface. De plus, le sCO2 peut être utilisé comme fluide de travail qui sert également de milieu de séquestration du carbone – un concept connu sous le nom de CO2-plume géothermique (CPG).

Défis et considérations

Malgré les avantages indéniables, le déploiement de fluides supercritiques dans EGS présente des obstacles techniques et économiques considérables qu'il faut surmonter avant que l'adoption commerciale ne soit possible.

Maintien de conditions de haute pression et de haute température

Pour maintenir le fluide à l'état supercritique, il faut un équipement haute pression et un système de conception soigné. Pour l'eau supercritique, les pressions doivent rester supérieures à 23,1 MPa (environ 220 fois la pression atmosphérique) et les températures supérieures à 374 °C. Cela impose des exigences extrêmes aux enveloppes de puits, aux emballeurs, aux tuyaux et aux tuyaux de surface.

Corrosion et dégradation des matériaux

À des températures élevées, les taux de corrosion peuvent s'accélérer considérablement, entraînant des fissures, des fissures de corrosion sous contrainte et une éventuelle défaillance des composants. De même, le CO2 supercritique peut causer de la corrosion en présence d'eau, formant de l'acide carbonique. Des chercheurs d'institutions comme U.S. Department of Energy Geothermal Technologies Office étudient des revêtements protecteurs, des inhibiteurs de corrosion et de nouvelles compositions d'alliages pour atténuer ces effets.

Écaillage et précipitations minérales

Lorsque le fluide se refroidit près du puits de production, les changements de température et de pression peuvent provoquer un précipité des minéraux, ce qui entraîne une accumulation d'échelle qui bloque les pores et les fractures. L'échelle de la silice est une préoccupation particulière dans les systèmes d'eau supercritiques, car la solubilité de la silice diminue fortement avec la température. La gestion de l'échelle nécessite une compréhension attentive de la géochimie locale, l'utilisation potentielle d'additifs chimiques et des interventions régulières de puits pour nettoyer les dépôts.

Forage et construction de puits à des profondeurs extrêmes

Pour atteindre les températures nécessaires dans des conditions supercritiques, les puits doivent souvent être forés à des profondeurs de 5 à 10 km. Le forage en profondeur dans des roches chaudes et dures est coûteux et techniquement difficile. Les fluides de forage et les instruments de forage à haute température dégradent les trous, tandis que les pressions élevées exigent des dispositifs anti-éruption robustes et des conceptions de boîtiers. Le coût d'un seul puits EGS profond peut dépasser 10 millions de dollars, et le risque de défaillance est important.

Préoccupations environnementales et sismiques

Bien que la plupart des tremblements de terre induits soient trop petits pour être ressentis, il y a eu des cas où des événements plus importants ont suscité des préoccupations du public. L'utilisation de fluides supercritiques pourrait réduire la sismicité induite, car leur viscosité plus faible leur permet de migrer à travers les réseaux de fractures existants sans nécessiter autant de renforcement de la pression. Cependant, les températures plus élevées peuvent déclencher une fissure thermique de la roche, qui pourrait produire sa propre microsismicité. Des protocoles de caractérisation, de surveillance et de gestion adaptative du site sont essentiels pour minimiser les risques.

Recherche et projets pilotes

Plusieurs initiatives de recherche dans le monde entier explorent activement la mise en œuvre pratique de fluides supercritiques dans EGS. Ces projets fournissent des données précieuses sur le comportement réel et aident à valider les modèles.

Le projet Desdemona, Japon

Au Japon, le projet Desdemona a étudié l'utilisation d'eau supercritique pour la production d'énergie géothermique en perçant dans les roches volcaniques chaudes de la région de Kyushu. Des chercheurs ont démontré que des conditions supercritiques peuvent être atteintes à des profondeurs d'environ 4 km dans les champs géothermiques à forte enthalpie. Le projet a fourni des informations critiques sur le comportement de corrosion des matériaux de puits et les caractéristiques de débit de l'eau supercritique dans le granit fracturé.

Projet de forage en profondeur (IDDP)

En 2009, le forage au volcan Krafla a rencontré du magma à seulement 2,1 km de profondeur, soit une profondeur beaucoup plus faible que prévu. Même dans les puits qui ne frappent pas le magma, le projet a permis de documenter des conditions atteignant 450 °C et 45 MPa. Les fluides de tête de puits sont souvent supercritiques et les chercheurs ont réussi à produire de l'électricité à partir de cette vapeur d'enthalpie élevée. Le projet de forage profond [Iceland continue de repousser les limites de la technologie géothermique supercritique et est devenu un point de référence pour l'industrie.

CO2 supercritique au Laboratoire national Los Alamos

Au Laboratoire national Los Alamos du Nouveau-Mexique, des chercheurs ont développé une boucle de sCO2 à petite échelle pour simuler l'extraction de chaleur géothermique. Leurs expériences ont montré que le coefficient de transfert de chaleur total d'une surface rocheuse chaude à un CO2 supercritique peut être plusieurs fois plus élevé que celui de l'eau comprimée dans des conditions similaires.

Projet GEISER de l'Union européenne

GEISER (Géothermie Ingénierie Intégrer l'atténuation de la sismicité induite) a combiné les essais sur le terrain sur les sites EGS à travers l'Europe avec des expériences de laboratoire sur le comportement des fluides supercritiques. Le projet a contribué à comprendre comment le CO2 supercritique et l'eau interagissent avec différents types de roches, et comment gérer la microsismicité par le biais de stratégies de cycles de pression et d'injection.

Perspectives futures: Voies de la commercialisation

L'intégration des fluides supercritiques dans le GSE est encore en phase pré-commerciale, mais les progrès réalisés dans plusieurs domaines indiquent que la commercialisation pourrait devenir possible au cours de la prochaine décennie.

Systèmes hybrides avec énergie solaire concentrée

Une approche prometteuse consiste à combiner la géothermie supercritique et l'énergie solaire concentrée (CSP).Dans un tel système hybride, le fluide géothermique est préchauffé par des capteurs solaires thermiques avant d'être injecté dans le réservoir, augmentant la température du fluide produit. Cela peut aider à atteindre des conditions supercritiques à des profondeurs plus faibles et réduire le besoin de forage extrêmement profond.

Progrès dans la science des matériaux et la fabrication additive

De nouveaux matériaux spécialement conçus pour les conditions supercritiques émergent. Les composites à matrice céramique, les alliages réfractaires et les revêtements nanostructurés offrent une meilleure résistance à la corrosion et au cycle thermique. La fabrication additive (3D impression) permet la création de géométries d'échangeurs de chaleur complexes qui peuvent résister à une pression élevée tout en maximisant la surface.

Énergie géothermique négative

Si le CO2 est capté de sources industrielles puis utilisé dans un système CPG, une partie de ce CO2 sera en permanence minéralisée ou stockée dans le réservoir. L'énergie produite peut alors être utilisée pour alimenter le processus de captage et fournir une électricité nette nulle ou négative. Les politiques gouvernementales qui appuient le captage et le stockage du carbone (SCC) pourraient offrir des incitations économiques à de tels projets, les rendant plus compétitifs par rapport aux combustibles géothermiques et fossiles classiques.

Normalisation et financement par le biais de la surveillance

La normalisation réduit les coûts de fabrication et facilite le financement des projets.Les produits d'assurance pour les risques de forage profonds et les accords d'achat d'électricité à prix garantis pourraient accélérer le déploiement.L'Agence internationale de l'énergie[ a souligné qu'avec des investissements continus en R-D, EGS supercritique pourrait fournir jusqu'à 10 % de l'électricité mondiale d'ici 2050.

Conclusion

Les fluides supercritiques sont la clé pour libérer une base de ressources géothermiques beaucoup plus importante que celle accessible avec les technologies classiques. Leur transfert thermique supérieur, leur mobilité des fluides et leur efficacité thermodynamique promettent de rendre les systèmes géothermiques améliorés plus productifs et plus compétitifs sur le plan économique. Bien que des défis importants demeurent – en particulier dans les matériaux, les forages profonds et la gestion de l'environnement – les projets de recherche et de démonstration en cours dans le monde entier transforment ces défis en problèmes d'ingénierie renouvelable.