La puissance inexploitée de la chaleur géothermique à basse température pour l'industrie

Bien que les ressources géothermiques à haute température soient depuis longtemps utilisées pour la production d'électricité, une ressource à basse température, mais largement abondante, reste largement sous-utilisée.Les ressources géothermiques à basse température, généralement définies comme des réservoirs à température inférieure à 150 °C, offrent une source de chaleur directe, fiable et rentable pour une vaste gamme d'applications industrielles.De la transformation des aliments et de la fabrication de produits chimiques à la production textile et à l'agriculture à effet de serre, ces ressources peuvent remplacer le gaz naturel, le pétrole et le charbon, ce qui entraîne une baisse des coûts d'exploitation et des émissions de gaz à effet de serre.

Qu'est-ce qui définit les ressources géothermiques à faible température?

L'énergie géothermique est l'énergie thermique stockée dans la croûte terrestre. Les ressources sont généralement classées par température. Les ressources géothermiques à basse température sont celles où la température du fluide est inférieure à 150°C (300°F). Cela contraste avec les systèmes à température modérée (150–200°C) et à haute température (plus de 200°C) qui sont généralement utilisés pour la production d'énergie conventionnelle.

  • Systèmes hydrothermaux – Eau chaude ou vapeur naturelle piégée dans des formations poreuses ou fracturées.Ces systèmes sont souvent trouvés à des profondeurs peu profondes (de quelques centaines de mètres à 2 km) et sont les plus courants et les plus économiques à se développer.
  • Bassins sédimentaires – Des couches rocheuses sédimentaires profondes contenant de l'eau chaude, souvent dans des régions sans activité volcanique.Ces ressources à l'échelle du bassin sont largement réparties sur les continents et peuvent être exploitées à l'aide de puits d'eau conventionnels.
  • Systèmes géothermiques améliorés (EGS) à des températures plus basses – Bien que l'EGS vise traditionnellement des températures élevées, des recherches récentes explorent l'ingénierie à faible perméabilité, formations de roches chaudes à des profondeurs modérées pour créer des réservoirs artificiels.

À l'échelle mondiale, la majorité des ressources géothermiques accessibles sont à basse température.Les pays comme les États-Unis, la Chine, la Turquie, l'Islande et de nombreux pays européens ont des champs de basse température qui sont actuellement sous-développés pour l'utilisation industrielle.Un rapport d'IRENA [ 2023 estime que l'utilisation directe de la chaleur géothermique pourrait répondre de 5 à 10 % de la demande industrielle mondiale de chaleur d'ici 2050, avec des ressources à basse température qui fournissent la majeure partie de ce potentiel.

Applications industrielles: où les Excels géothermiques à basse température

Les procédés industriels nécessitent une chaleur à une grande variété de températures. Beaucoup de ces derniers – séchage, évaporation, pasteurisation, lavage, chauffage des locaux – fonctionnent à des températures bien inférieures à 150°C, ce qui en fait des candidats idéaux pour une utilisation directe de la géothermie à basse température.

Transformation des aliments et des boissons

L'industrie alimentaire dépend fortement de l'énergie thermique pour la cuisson, la fonte, la pasteurisation, la stérilisation et le nettoyage. La géothermie à basse température peut fournir de l'eau chaude (60 à 120 °C) pour ces tâches. En Nouvelle-Zélande, une usine de traitement des aliments géothermiques utilise 120 °C pour la pasteurisation du lait et le séchage par pulvérisation, réduisant la consommation de gaz naturel de 90 %.

Séchage et séchage des matériaux

Le séchage est à forte intensité énergétique, nécessitant souvent de l'air à 50 à 120 °C. La géothermie à basse température peut chauffer les chambres de séchage ou fournir de l'air préchauffé pour :

  • Bois et bois[ – Le séchage au four à l'aide d'eau géothermique à 80–100 °C réduit les coûts et améliore la qualité.
  • Produits agricoles – Séchage des grains, fruits, légumes et herbes avec de la chaleur géothermique préserve les nutriments et prolonge la durée de conservation.
  • Céramiques et briques – Dans les régions où l'argile est déposée, l'air géothermique à 80-120°C peut guérir les briques et les tuiles.
  • Textiles – Le séchage après teinture et finition utilise de grandes quantités d'énergie; la géothermie peut fournir cette chaleur directement ou par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur.

Fabrication de produits chimiques et pharmaceutiques

De nombreuses réactions chimiques nécessitent des températures précises entre 80°C et 140°C. La géothermie à basse température peut être utilisée pour le chauffage, la distillation, l'évaporation et la récupération des solvants des réacteurs. En Chine, une usine chimique utilise de l'eau géothermique à 110°C pour produire de l'acide borique, ce qui permet de réduire de 40 % l'utilisation du charbon.

Chauffage à effet de serre et aquaculture

Bien que pas strictement --industriel , , ce sont des opérations commerciales à grande échelle qui bénéficient de la chaleur géothermique . Les serres pour les fleurs, les légumes, et les fruits maintiennent des températures autour 15 à 25 °C même en hiver , à l'aide de fluide géothermique circulant par les tuyaux et les radiateurs . Les installations d'aquaculture élever le tilapia , crevettes , ou saumon utilisent l'eau géothermique pour maintenir des températures optimales de l'eau , augmenter les taux de croissance et réduire la mortalité . Systèmes intégrés , où les cascades d'effluent géothermique de serre à étangs de poisson , maximiser l'efficacité thermique .

Production textile

L'industrie textile consomme de grandes quantités d'eau chaude pour la teinture, le blanchiment et la finition. Les températures varient généralement de 60 à 100°C. L'eau géothermique peut être utilisée directement ou préchauffée, réduisant ainsi la consommation de combustibles fossiles.

Chauffage urbain pour les parcs industriels

La géothermie à basse température ne se limite pas à une seule usine; elle peut desservir des parcs industriels entiers par le biais de réseaux de chauffage urbain. Par exemple, la ville de Klamath Falls, en Oregon, utilise de l'eau géothermique à 90-110°C pour chauffer plusieurs bâtiments, y compris le campus de l'Oregon Institute of Technology et les installations industrielles à proximité.

Technologies pour l'exploitation de la géothermie à basse température

Le déploiement de géothermie à basse température dans l'industrie nécessite des technologies d'extraction et d'utilisation appropriées.

Systèmes à usage direct

En utilisation directe, le fluide géothermique est pompé à partir d'un puits de production et passé par un échangeur de chaleur avant d'être utilisé dans le procédé industriel. Après le transfert de chaleur, le fluide refroidi est soit réinjecté dans le réservoir (pour maintenir la pression et la durabilité) ou déchargé (lorsqu'il est permis).

Thermopompes géothermiques (GHP)

Lorsque la température de la ressource est trop basse (10-30°C), les pompes à chaleur géothermiques peuvent mettre la chaleur à un niveau utilisable (50-70°C) en utilisant un cycle de compression par vapeur. Les GHP sont particulièrement adaptés au chauffage des locaux, à l'eau de préchauffage et au séchage à basse température.

Utilisation en cascade

L'encastrement implique l'utilisation de fluides géothermiques séquentiellement dans de multiples processus à des températures décroissantes. Par exemple, l'eau à 110°C pourrait d'abord être utilisée pour le chauffage des réactions chimiques, puis à 80°C pour le séchage, puis à 50°C pour le chauffage des serres, et enfin à 30°C pour l'aquaculture.

Systèmes hybrides

La combinaison de la géothermie à basse température et d'autres énergies renouvelables (thermique solaire, biomasse) ou de la chaleur résiduelle des procédés industriels peut créer des systèmes hybrides qui fournissent une chaleur fiable toute l'année.

Avantages et avantages économiques

Le passage à la chaleur géothermique à basse température présente de nombreux avantages par rapport aux chaudières à combustibles fossiles classiques et même à d'autres sources d'énergie renouvelables :

  • Stabilisation des prix – La chaleur géothermique n'a pas de coût de carburant et n'est pas sujette à la volatilité des prix.Une fois l'infrastructure initiale construite, les coûts d'exploitation sont prévisibles et faibles (principalement l'électricité pour les pompes et l'entretien).
  • Facteur de grande capacité – Les ressources géothermiques fournissent de la chaleur 24/7, peu importe le temps.
  • Impression carbone réduite – L'utilisation directe de la chaleur géothermique peut réduire les émissions de CO2 de 70 à 90 % par rapport au gaz naturel.
  • Indépendance énergétique locale – De nombreux sites industriels sont situés sur ou à proximité des ressources géothermiques, réduisant la dépendance à l'égard des combustibles importés et renforçant la sécurité énergétique.
  • La création d'emplois et le développement économique – Le développement des ressources géothermiques stimule l'emploi local dans le forage, l'ingénierie, la construction et l'exploitation.

Selon le , le coût de la chaleur (LCOH) à basse température peut être aussi bas que 15–30 $ par MWh, comparativement à 30–60 $ pour le gaz naturel (selon les prix de la région et du gaz), ce qui rend la géothermie hautement compétitive, en particulier dans les régions où les taxes sur les combustibles fossiles ou la tarification du carbone sont élevées.

Obstacles et difficultés à l'adoption

Malgré les avantages évidents, plusieurs obstacles entravent l'utilisation industrielle généralisée des ressources géothermiques à basse température. Comprendre ces défis est essentiel pour développer des solutions efficaces.

Coûts d'investissement initiaux élevés

Le forage de puits géothermiques coûte cher, ce qui coûte généralement entre 1 et 5 millions de dollars pour une paire de production/réinjection, selon la profondeur et la géologie. Le risque d'exploration (trous secs) peut décourager l'investissement. Toutefois, grâce à des études géologiques appropriées et à des partenariats public-privé, ces risques peuvent être atténués.

Identification et caractérisation des ressources

Il faut évaluer les ressources en eau de façon détaillée, y compris la température, le débit, la chimie de l'eau et la durabilité des réservoirs, avant de s'engager. La qualité de l'eau (écaillage, corrosion) peut aussi poser problème. Par exemple, les fluides géothermiques salins ou riches en silice peuvent nécessiter des échangeurs de chaleur coûteux et un traitement.

Barrières réglementaires et permises

Dans certains pays, ce processus peut prendre des années. La rationalisation des permis pour les systèmes géothermiques à basse température (qui présentent moins de risques environnementaux que les systèmes à haute température) accélérerait le déploiement. L'Union européenne ]révisée Directive sur les énergies renouvelables prévoit des mesures pour simplifier les permis géothermiques dans le cadre du pacte vert.

Manque de sensibilisation et d'expertise technique

De nombreux gestionnaires d'installations industrielles ignorent le potentiel de géothermie à basse température ou le manque d'expertise interne pour l'évaluer. Les programmes de sensibilisation, les bases de données d'études de cas et les centres d'assistance technique peuvent combler cette lacune.

Intégration aux processus existants

La mise à niveau de la chaleur géothermique dans une usine existante peut nécessiter des modifications des tuyauteries, des échangeurs de chaleur et des systèmes de commande. Cependant, les parcs industriels de Greenfield peuvent être conçus dès le départ pour l'intégration géothermique, ce qui réduit considérablement les coûts.

Études de cas réussies dans le monde

Des exemples du monde réel démontrent la viabilité de la géothermie à basse température dans l'industrie et fournissent des modèles répliquables.

Institut de technologie de l'Oregon (Klamath Falls, États-Unis)

Le campus de l'Oregon Tech utilise la chaleur géothermique depuis les années 1960. Deux puits à 90-110°C fournissent de la chaleur à l'ensemble du campus, y compris des salles de classe, des laboratoires et un centre d'étudiants. De plus, le fluide géothermique alimente une usine de transformation alimentaire voisine et une serre.

Reykjanesbær, Islande

L'Islande est un chef de file de l'utilisation de la géothermie. La ville de Reykjanesbær utilise la géothermie à basse température (100–130°C) pour alimenter les usines de transformation du poisson, une installation de production de sel et des serres. La chaleur est distribuée par un réseau de district, et le cascading est utilisé pour que l'eau usée aille à la fonte des neiges et à l'aquaculture.

Yangbajing, Tibet

Outre une centrale géothermique, le champ de Yangbajing (eau à 100–130°C) fournit de la chaleur pour une serre et une fromagerie. Le succès a suscité l'intérêt de reproduire le modèle pour d'autres sites industriels à haute altitude, hors réseau en Chine.

St. Gallen, Suisse

Un réseau de chauffage urbain à St. Gallen, alimenté par un puits géothermique à basse température à 115°C, alimente une brasserie, une chocolaterie et un hôpital en chaleur. Le projet a surmonté l'opposition initiale du public en démontrant des avantages pour la sécurité et l'environnement.

La route à l'avant : l'escalade de la géothermie à basse température

L'avenir de la géothermie à basse température dans l'industrie est prometteur, mais elle exige un effort concerté de la part des décideurs, de l'industrie et des chercheurs.

Innovations technologiques

Les progrès de la technologie de forage (perceuse de diamants, forage directionnel) réduisent les coûts. Les systèmes géothermiques en boucle fermée, qui circulent un fluide de travail à travers un échangeur thermique en profondeur sans extraire d'eau, éliminent les problèmes de manipulation de l'eau et peuvent être déployés dans presque n'importe quelle géologie.

Mesures d'incitation en matière de politique et de financement

Pour libérer le potentiel industriel, les gouvernements devraient fournir :

  • Crédits d'impôt à l'investissement ou subventions pour les systèmes de forage et d'approvisionnement en chaleur géothermiques.
  • Autoriser de façon simplifiée les projets à faible température à utilisation directe.
  • La tarification du carbone qui rend la chaleur fossile plus chère, améliore la compétitivité géothermique.
  • Données géologiques et cartes des ressources publiques pour guider la sélection des sites.
  • Programmes d'atténuation des risques (p. ex. assurance pour puits secs ou sous-performance).

La loi américaine sur la réduction de l'inflation prévoit un crédit d'impôt de 30 % pour les pompes à chaleur géothermique et les systèmes à usage direct, ce qui a déjà stimulé de nouveaux projets.

Intégration avec Symbiose Industrielle

La géothermie à basse température peut être la pierre angulaire de la symbiose industrielle, où la chaleur et les ressources sont partagées entre les entreprises. Un parc industriel conçu autour d'une ressource géothermique peut encaisser la chaleur des processus chimiques à haute température jusqu'au traitement des aliments à basse température et au chauffage des locaux, en maximisant l'efficacité totale.

Éducation et développement des effectifs

Des programmes de formation pour les techniciens, ingénieurs et développeurs de projets géothermiques sont nécessaires pour accroître les capacités. Les partenariats entre les universités, les entreprises géothermiques et les associations industrielles peuvent créer des programmes d'études et des certifications. L'organisation Géothermique Rising offre des possibilités de développement professionnel et de réseautage.

Conclusion

Avec des températures inférieures à 150 °C, ces ressources peuvent répondre à une part importante de la demande de chaleur industrielle, de la transformation et du séchage des aliments à la fabrication de produits chimiques et au chauffage urbain. Alors que des défis tels que les coûts initiaux, l'identification des ressources et les obstacles réglementaires subsistent, les progrès technologiques, l'appui politique et les études de cas réussies de l'Islande, des États-Unis, de la Chine et de l'Europe en font la preuve. Alors que les industries cherchent à décarboner et à réduire l'exposition à la volatilité des prix des combustibles fossiles, la géothermie à basse température offre une voie vers l'avenir.