L'impact de l'extraction minérale des fluides géothermiques sur la durabilité des ressources

L'impact de l'extraction minérale des fluides géothermiques sur la durabilité des ressources

L'énergie géothermique est reconnue depuis longtemps comme une ressource renouvelable fiable et à faible teneur en carbone, fournissant de l'électricité et de la chaleur directe de la terre. Cependant, les brinces chaudes et la vapeur qui sont apportées à la surface contiennent souvent un riche cocktail de minéraux dissous, y compris du lithium, de la silice, du bore et des éléments de terres rares. L'intérêt croissant pour l'extraction de ces minéraux comme sous-produit des opérations géothermiques présente des possibilités et des défis complexes pour la durabilité des ressources.

La puissance géothermique installée dépasse aujourd'hui 16 GW, avec des centaines de centrales opérant dans des régions volcaniques et tectoniques comme l'ouest des États-Unis, l'Islande, les Philippines et l'Afrique de l'Est. Les fluides qui alimentent ces centrales varient considérablement en température, salinité et teneur en minéraux selon le contexte géologique. Dans certains domaines, les brinées sont si riches en éléments précieux que la valeur des minéraux extraits pourrait rivaliser ou même dépasser les revenus de la production d'électricité.

Comprendre les fluides géothermiques et la teneur en minéraux

Les réservoirs géothermiques sont des systèmes naturels d'eau chaude, de vapeur ou de mélange des deux, souvent à des températures supérieures à 200 °C à des profondeurs d'un à cinq kilomètres. Les fluides sont produits par la circulation des eaux souterraines qui entrent en contact avec des roches chaudes et s'enrichissent en solides dissous par des interactions eau-rock sur des milliers d'années. La composition minérale est largement déterminée par la géologie locale : les roches basaltiques et rhyolitiques produisent de fortes concentrations de silice, d'aluminium, de fer et de calcium; tandis que les bassins sédimentaires produisent souvent des brillances à des niveaux élevés de lithium, de potassium et de bore. Les minéraux les plus fréquemment rencontrés dans les brillances géothermiques sont les suivants :

• Silica (SiO2)[ – Présent dans presque tous les fluides géothermiques. Silica peut être précipité et utilisé dans le ciment, la céramique et les adsorbants, mais il provoque aussi une échelle qui réduit la productivité du puits.
• Lithium (Li) – De plus en plus de batteries au lithium-ion. Les concentrations dans les brinages géothermiques peuvent varier de dizaines à des centaines de parties par million (ppm), la mer de Salton en Californie étant l'une des ressources les plus prometteuses au monde en lithium-riche.
• Boron (B) – Utilisé dans le verre, la céramique et les micronutriments agricoles. Il est commun dans de nombreux champs géothermiques, en particulier ceux associés aux environnements volcaniques.
• Éléments de la Terre rare (REE) – Y compris le lanthane, le cérium, le néodyme et l'yttrium. Bien que généralement présents en faibles concentrations (ppb à faible ppm), leur valeur économique élevée et leur rôle critique dans les aimants et catalyseurs permanents rendent leur récupération attrayante.
• Manganèse (Mn), zinc (Zn) et autres métaux – Ces métaux se produisent en traces de quantités mineures et peuvent être extraits par échange d'ions ou par des méthodes de précipitation.
• Potassium (K) et calcium (Ca) – Principaux ions qui peuvent être récupérés pour la production d'engrais ou la fabrication de produits chimiques.

Les concentrations de ces minéraux varient considérablement d'un champ à l'autre. Par exemple, les brinures géothermiques du champ de Reykjanes d'Islande contiennent environ 130 ppm de lithium, tandis que celles de la vallée impériale de Californie en moyenne 200 à 400 ppm de lithium, avec certains puits ayant une déclaration de plus de 600 ppm. Les solides dissous totaux (STD) peuvent dépasser 300 000 ppm dans certaines brinées à haute salinité, ce qui les rend semblables dans leur composition aux brinées à champ de pétrole.

Minéraux clés d'intérêt et leurs utilisations

La recherche de minéraux provenant de fluides géothermiques est principalement motivée par la demande croissante de lithium, qui est utilisée de façon intensive dans les batteries électriques des véhicules et les systèmes de stockage du réseau. La US Geological Survey (USGS) classe le lithium comme un minéral essentiel, et la production nationale de bernes géothermiques pourrait réduire la dépendance à l'égard des importations en provenance d'Amérique du Sud et d'Australie.

Avantages de l'extraction minérale des fluides géothermiques

L'extraction minière peut, lorsqu'elle est effectuée de façon responsable, transformer des projets géothermiques en entreprises multiproduits plus résilientes aux fluctuations du marché et aux changements de politiques.

Efficacité des ressources et viabilité élargie du projet

En ajoutant la récupération minérale, un projet peut générer des flux de revenus supplémentaires qui améliorent le taux de rendement interne (RIR), ce qui rend les champs marginaux ou vieillissants plus rentables. Par exemple, une usine qui pourrait être désaffectée en raison de la baisse de la production d'énergie pourrait continuer à fonctionner de façon rentable si elle extrait et vend du lithium ou de la silice. Cela prolonge la durée de vie utile de la ressource géothermique et maximise l'utilité de la chaleur et de l'eau extraites.

De plus, le retrait de certains minéraux de la saumure avant la réinjection peut réduire l'échelle et la corrosion, réduire les coûts d'entretien et améliorer l'efficacité de la centrale. Certains opérateurs ont utilisé avec succès l'extraction de silice pour réduire l'échelle dans les puits d'injection, ce qui contribue à maintenir la perméabilité et la pression des réservoirs.

Avantages environnementaux et de durabilité

L'extraction traditionnelle du lithium, des terres rares et d'autres minéraux a des répercussions environnementales importantes, notamment sur les terres, la consommation d'eau, la production de résidus et les émissions de gaz à effet de serre. Par exemple, l'extraction conventionnelle du lithium à roche dure nécessite de broyer de grandes quantités de minerai et utilise souvent des torréfaction à haute température; les bassins d'évaporation de saumure dans le désert d'Atacama consomment d'énormes quantités d'eau douce et perturbent les écosystèmes fragiles.

De plus, comme les brinures géothermiques sont généralement réinjectées dans le réservoir après extraction de chaleur (et après enlèvement des minéraux), le cycle de l'eau est largement fermé, ce qui empêche l'épuisement à grande échelle de l'eau associé à de nombreuses activités minières.

Développement économique et création d'emplois

En plus des travaux de construction et de forage nécessaires à l'usine initiale, une installation de récupération des minéraux nécessite des chimistes, des ingénieurs, des opérateurs de procédés et du personnel logistique.Les collectivités locales peuvent bénéficier des recettes fiscales et des améliorations de l'infrastructure.Dans la région de Salton Sea, en Californie, par exemple, plusieurs entreprises développent des usines pilotes d'extraction du lithium dans l'espoir de créer des centaines d'emplois bien rémunérés. Le département américain de l'énergie a financé de nombreux projets visant à accélérer la production nationale de lithium à partir de brillances géothermiques, dans le but de renforcer la chaîne d'approvisionnement en piles.

Des études de cas réalisées dans des usines géothermiques islandaises montrent que l'extraction de silice a généré des revenus supplémentaires grâce à la vente de composés de silicium pour le traitement de l'eau et les cosmétiques.En Nouvelle-Zélande, l'usine géothermique de Ngāwhā a étudié la récupération du zinc et du manganèse de ses brinées, créant ainsi de nouveaux flux de revenus potentiels qui soutiennent les communautés maories locales, ce qui montre que l'extraction minérale peut servir de catalyseur à la diversification économique régionale, en particulier dans les zones où l'extraction traditionnelle est en voie de disparition.

Défis et considérations environnementales

Malgré les avantages évidents, l'extraction de minéraux de fluides géothermiques n'est pas une panacée. Il y a de sérieux obstacles techniques et environnementaux qui doivent être abordés pour éviter de compromettre la durabilité même de la ressource géothermique. Les problèmes les plus pressants sont la dégradation des réservoirs, les complications de la chimie des fluides et le risque de contamination des eaux de surface et des eaux souterraines.

Pression du réservoir et déclin thermique

Lorsque de grands volumes de saumure sont retirés pour le traitement des minéraux, la pression du réservoir peut diminuer, ce qui entraîne une baisse du débit de vapeur et de la puissance. Si le taux de réinjection n'est pas adapté au taux d'extraction, le réservoir peut s'épuiser plus rapidement que le débit de chaleur naturel. De même, la température du fluide produit peut diminuer au fil du temps si l'eau fraîche de réinjection retourne trop rapidement dans les puits de production ou si le taux d'extraction dépasse le taux d'extraction de chaleur local.

L'extraction minérale peut créer ces effets si elle nécessite un pompage supplémentaire, des temps de séjour plus longs ou des étapes de séparation qui augmentent encore la chute de pression dans le réservoir. La modélisation soigneuse des processus thermiques-hydrauliques-chimiques couplés est essentielle pour déterminer les taux d'extraction maximums admissibles qui ne compromettront pas la production d'énergie à long terme.

Écaillage chimique et corrosion

Les mêmes minéraux précieux causent également des problèmes opérationnels en précipitant comme échelle sur les échangeurs de chaleur, les tuyaux et les caissons de puits. L'échelle de Silica est particulièrement sévère dans de nombreux champs géothermiques à haute température. Si les installations d'extraction de minéraux n'en retirent qu'une partie de la silice ou d'autres éléments formant une échelle, les concentrations restantes peuvent être suffisamment élevées pour causer des encrassements, ce qui entraîne une augmentation des temps d'arrêt de l'entretien.

La corrosion est également préoccupante parce que les brinures géothermiques sont souvent acides (pH jusqu'à 4-5) et contiennent des chlorures, des sulfures et du dioxyde de carbone.Ces conditions agressives peuvent dégrader les équipements d'extraction, en particulier les membranes et les résines échangeuses d'ions utilisées pour la récupération sélective.

Risques de contamination de l'environnement

Les brinces géothermiques contiennent des métaux lourds, y compris l'arsenic, le mercure, le plomb et le cadmium, ainsi que des isotopes radioactifs comme le radium ou l'uranium qui se produisent naturellement dans certaines formations. Tout déversement, fuite de pipeline ou élimination inappropriée de déchets d'extraction peut contaminer le sol et les eaux de surface, ce qui a de graves conséquences pour les écosystèmes locaux et la santé humaine.

La réinjection de la saumure appauvrie dans le réservoir est l'approche standard pour minimiser les rejets de surface, mais elle n'est pas sans risque. La réinjection incorrecte peut causer une sismicité induite (petits tremblements de terre), une subsidence terrestre ou une migration des contaminants dans les eaux souterraines vers des aquifères moins profonds.

Gestion de la durabilité des ressources

Pour assurer que l'extraction minérale soit durable, plutôt que de nuire à la durabilité géothermique, il faut adopter une approche de réflexion des systèmes, ce qui signifie non seulement surveiller la production d'énergie, mais aussi la pression du réservoir, la température, la chimie des fluides et l'intégrité physique du réservoir au fil du temps.

• Modèle de réservoir dynamique:[ Utiliser des modèles couplés 3-D pour simuler le débit de fluide, le transport de chaleur et les réactions chimiques, puis ajuster les vitesses d'extraction en conséquence.
• Surveillance continue de la chimie des fluides:[ Concentrations de la voie des minéraux clés, des oligo-éléments et du pH pour détecter les signes précoces d'épuisement ou de graduation.
• Gestion de la réinjection:[ Réinjecter la saumure appauvrie en minéraux à des températures et pressions appropriées, en utilisant des puits d'injection soigneusement situés pour éviter une percée thermique et maintenir le support du réservoir.
• Réglementation des taux d'extraction: Fixer un taux d'extraction maximal admissible pour les minéraux (p. ex. kg de lithium par heure) qui est bien inférieur à la vitesse qui causerait une chute de pression importante ou un déséquilibre chimique.
• Planification intégrée:[ Coordonner la conception de la centrale électrique et de l'unité d'extraction minérale dès le début, de manière à optimiser l'ensemble du système pour la production d'énergie et de minéraux.

Innovations technologiques pour une extraction durable

Les progrès récents dans la science des matériaux et l'ingénierie des procédés ont produit plusieurs technologies prometteuses qui réduisent l'empreinte environnementale de l'extraction minérale tout en améliorant la sélectivité de récupération. Les technologies directes d'extraction de lithium (DLE), comme l'adsorption avec des sorbants spécifiques au lithium (p. ex., l'oxyde de lithium-manganèse ou les spinelles de lithium-titanate), peuvent récupérer le lithium à partir de brinces de faible qualité sans avoir besoin d'étangs d'évaporation.

D'autres innovations sont notamment les suivantes :

• Extraction électrochimique:[ Utilise des champs électriques pour capturer sélectivement les ions lithium sur des électrodes spécialisées tout en laissant d'autres ions dans la saumure. Cette méthode évite le besoin de précipitations chimiques ou de solvants organiques.
• Distillation et cristallisation de membranes:[ Combine récupération de chaleur avec élimination de la silice et du calcium, produisant des poudres commercialisables tout en réduisant l'échelle.
• Bio-mineing: Utilise des micro-organismes pour concentrer sélectivement les métaux à partir de brinés géothermiques; bien qu'il soit encore à l'échelle du laboratoire, il offre une alternative faible en énergie et chimique.

Ces technologies sont testées dans le cadre de projets pilotes dans le monde entier. Le Department of Energy des États-Unis a financé plusieurs projets pilotes de DLE sur la mer de Salton, visant à démontrer leur viabilité commerciale d'ici le milieu des années 2020. Des efforts similaires sont en cours en Europe, parrainés par le programme Horizon de la Commission européenne, explorant l'extraction du lithium, de l'indium et des terres rares des brines géothermiques en Italie, en Allemagne et en France.

Perspectives et innovations futures

Selon l'Agence internationale de l'énergie (IEA, la demande de lithium pour les batteries pourrait augmenter de plus de 40 fois d'ici 2040 dans un scénario net zéro. Les brinures géothermiques représentent une source nationale largement inexploitée pour de nombreux pays, réduisant les risques géopolitiques associés aux chaînes d'approvisionnement concentrées. Parallèlement, l'industrie géothermique elle-même évolue, avec des progrès dans les systèmes à boucles fermées et les systèmes géothermiques améliorés (SGE) qui pourraient rendre l'énergie géothermique accessible dans les régions non volcaniques.

Aux États-Unis, la loi sur les infrastructures bipartite et la loi sur la réduction de l'inflation[ prévoient des dispositions pour la production minière critique intérieure, avec des garanties de prêts et des crédits d'impôt pour l'extraction du lithium à base de géothermie. La loi sur les matières premières critiques de l'Union européenne encourage également la récupération des opérations géothermiques.

La recherche sur les systèmes intégrés qui combinent production d'électricité, récupération de chaleur et extraction minérale en une seule installation est en cours. L'un des concepts prometteurs est la batterie géothermique, où l'énergie renouvelable excédentaire est utilisée pour chauffer l'eau injectée, qui extrait ensuite la chaleur de la roche et retourne à la surface pour la production d'énergie et la récupération minérale.

Équilibrer l'extraction et la gérance des ressources à long terme

Le défi ultime consiste à concevoir des procédés d'extraction des minéraux qui se régénèrent plutôt qu'extractifs au sens traditionnel, ce qui signifie adopter une attitude de gérance : les minéraux que nous prenons de la Terre devraient être utilisés de manière à pouvoir être recyclés ou réutilisés, et le réservoir géothermique devrait être géré de façon à continuer à fournir de l'énergie pour des générations.

L'acceptation par le public joue également un rôle.Les collectivités proches des projets géothermiques doivent être assurées que l'extraction des minéraux ne crée pas de nouveaux risques pour la santé ou la pollution.La communication transparente, des évaluations rigoureuses des impacts environnementaux et la participation des intervenants dès les premières étapes de la planification peuvent créer la confiance nécessaire pour faire avancer ces projets.

Conclusion

L'extraction de minéraux à partir de fluides géothermiques est très prometteuse pour améliorer la durabilité, la viabilité économique et la valeur stratégique de l'énergie géothermique. En transformant un flux de déchets en ressource, nous pouvons réduire les impacts environnementaux de l'exploitation minière conventionnelle tout en assurant un approvisionnement national en matières essentielles. Cependant, cette possibilité est assortie de responsabilités. L'extraction excessive peut menacer la longévité du réservoir géothermique, et les produits chimiques et les métaux lourds présents dans les brinées doivent être manipulés avec soin pour éviter les dommages environnementaux.