Cependant, le potentiel de cette ressource s'étend bien au-delà de la production d'électricité. Une part importante de l'énergie extraite des réservoirs géothermiques n'est pas convertie en électricité, mais est plutôt rejetée comme chaleur résiduelle. Ce sous-produit thermique, souvent évacué ou rejeté dans l'environnement, représente une vaste ressource inexploitée pour les secteurs industriel et commercial. Capturer et utiliser la chaleur résiduelle géothermique peut grandement améliorer l'efficacité énergétique globale, réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles et réduire les coûts d'exploitation.

Qu'est-ce que la chaleur des déchets géothermiques?

Dans les centrales géothermiques, l'eau chaude ou la vapeur provenant de réservoirs souterrains est utilisée pour alimenter les turbines et produire de l'électricité. Même dans les centrales binaires ou à vapeur éclair les plus efficaces, une partie importante du fluide est convertie en électricité et les sorties sont l'eau chaude ou modérément chaude. De même, dans les applications géothermiques à usage direct, comme le bain ou le chauffage à serre, le fluide usé contient encore de la chaleur récupérable.

La température de la chaleur des déchets géothermiques varie grandement selon le type de centrale et les conditions du réservoir. La chaleur des déchets à basse température varie généralement entre 30 et 176;C et 90 et 176;C, tandis que les flux à moyenne température peuvent atteindre 120 et # 176;C ou plus. Même à l'extrémité inférieure de la gamme, cette chaleur est suffisante pour de nombreux procédés industriels et commerciaux, surtout lorsqu'elle est jumelée à des pompes à chaleur ou à des échangeurs de chaleur.

Sources de chaleur des déchets géothermiques

  • Condenseurs d'usines et systèmes de refroidissement[ – Dans les installations à vapeur éclair et à vapeur sèche, la vapeur qui sort de la turbine est condensée; la chaleur latente libérée peut être captée pour le chauffage urbain ou la préchauffage industriel.
  • Liquide de travail des usines de la mine de bois[ – Après que le fluide de travail secondaire a traversé la turbine, il transporte toujours une énergie thermique importante qui peut être en cascade pour des utilisations à basse température.
  • Flux de réinjection de saumure géothermique – La saumure usée injectée dans le réservoir demeure souvent à des températures supérieures à 70°C, offrant une source de chaleur stable si elle est interceptée avant la réinjection.
  • Systèmes géothermiques à usage direct – L'eau utilisée pour le chauffage des locaux, l'aquaculture ou les opérations de serre peut être en cascade dans des boucles secondaires pour une extraction supplémentaire de chaleur.

Applications industrielles de la chaleur des déchets géothermiques

L'industrie représente une part importante de la consommation énergétique mondiale, principalement sous forme de chaleur de procédé. La chaleur des déchets géothermiques peut déplacer la combustion des combustibles fossiles dans nombre de ces procédés, réduisant à la fois les coûts et les émissions.

Préchauffage des matières premières

Par exemple, dans la production de ciment, le repas brut doit être préchauffé à environ 800°C avant d'entrer dans le four. Bien que la chaleur des déchets géothermiques ne puisse pas atteindre à lui seul de telles températures, il peut être utilisé pour préchauffer l'aliment à 100°C–150°C, réduisant ainsi la quantité de combustible nécessaire dans le four. De même, dans l'industrie sidérurgique, la ferraille peut être préchauffée avec de la chaleur des déchets géothermiques avant d'être chargée dans un four électrique à arc, réduisant la consommation d'électricité et accélérant les temps de fusion.

Chaleur de procédé pour les réactions chimiques

La fabrication de produits chimiques repose fortement sur la vapeur et l'eau chaude pour les réactions, la distillation, le séchage et le nettoyage. La chaleur des déchets géothermiques à des températures comprises entre 80 et 176;C et 120 et 176;C peut être utilisée directement pour bon nombre de ces procédés endothermiques.Par exemple, dans la production d'éthanol, la chaleur des déchets géothermiques doit être chauffée pour la fermentation et la distillation.La chaleur des déchets géothermiques peut fournir une grande partie de cette charge thermique.

Production de vapeur pour turbines et machines

Même si la chaleur des déchets géothermiques n'est pas assez chaude pour produire directement de la vapeur à haute pression pour la production d'électricité, elle peut être utilisée pour préchauffer l'eau d'alimentation des chaudières ou pour produire de la vapeur à basse pression pour les entraînements mécaniques et les turbines auxiliaires.Dans les configurations combinées de chaleur et d'énergie (PCH), une centrale géothermique peut d'abord produire de l'électricité et ensuite fournir de la chaleur résiduelle à un générateur de vapeur secondaire qui entraîne des pompes, des compresseurs ou des ventilateurs.

Produits et matériaux de séchage

Le séchage est l'une des activités les plus exigeantes en énergie dans les industries comme la transformation des aliments, le bois, la céramique et les minéraux. La chaleur des déchets géothermiques est bien adaptée aux applications de séchage parce que les températures requises tombent souvent entre 40 et 176;C et 100 et 176;C. Par exemple, dans la production de farines de poisson, la chaleur géothermique peut sécher les solides de poisson, éliminant ainsi le besoin de brûleurs de gaz naturel. Dans l'industrie du bois, le séchage du four peut être alimenté en partie ou en totalité par la chaleur des déchets géothermiques.

Autres utilisations industrielles

  • Évaporation et concentration[ – Dans le traitement des produits laitiers, la chaleur des déchets géothermiques peut concentrer le lactosérum ou le lait avant le séchage par pulvérisation.
  • Nettoyage et stérilisation[ – Les usines de produits alimentaires et de boissons ont besoin d'eau chaude pour nettoyer les systèmes en place; la chaleur de déchets géothermiques peut alimenter cette eau au 70°C–90°C.
  • Chauffage à la serre[ – La chaleur des déchets géothermiques provenant des centrales électriques voisines peut être conduite en serres pour la production de légumes et de fleurs toute l'année, comme cela a été pratiqué en Hongrie et en Islande.
  • Aquaculture – La chaleur résiduelle peut maintenir une température optimale de l'eau pour l'élevage de poissons et de crevettes, stimuler les taux de croissance et réduire la mortalité.

Applications commerciales de la chaleur des déchets géothermiques

Les bâtiments commerciaux et les quartiers ont besoin de chauffage des locaux, de refroidissement, d'eau chaude et parfois de chaleur de traitement pour les cuisines, les laveries et les piscines.

Chauffage et refroidissement urbain

L'un des moyens les plus efficaces d'utiliser la chaleur des déchets géothermiques dans un contexte commercial est le chauffage urbain. Une centrale géothermique ou une installation à usage direct peut alimenter un échangeur central de chaleur qui alimente ensuite un réseau de tuyaux isolés qui s'écoulent vers des bâtiments voisins. Ce réseau peut fournir le chauffage des locaux, l'eau chaude domestique et même le refroidissement par absorption (avec des refroidisseurs alimentés par la chaleur plutôt que par l'électricité).

Chauffage de l'espace et eau chaude dans les bâtiments commerciaux

Pour les bâtiments commerciaux individuels comme les hôtels, les bureaux et les centres commerciaux, la chaleur des déchets géothermiques peut être fournie par une boucle secondaire reliée à une pompe à chaleur ou à un échangeur de chaleur direct. Les pompes à chaleur peuvent augmenter la température des flux de chaleur des déchets (p. ex., de 30°C à 50°C) pour répondre efficacement aux besoins des bâtiments. En été, le même système peut fonctionner en inverse pour fournir le refroidissement en rejetant la chaleur dans le sol ou un flux de chaleur des déchets.

La fonte des neiges et la prévention des glaces

La chaleur des déchets géothermiques peut être distribuée par des tuyaux intégrés dans les trottoirs, les allées et les parkings pour prévenir l'accumulation de neige et de glace.Cette application est particulièrement utile dans les climats froids où l'enlèvement de neige est coûteux et perturbateur.

Piscines et Spas

Les piscines publiques, les centres aquatiques et les spas de santé consomment beaucoup d'énergie pour le chauffage de l'eau. La chaleur des déchets géothermiques offre une alternative à faible coût et renouvelable. Dans de nombreux endroits, l'eau géothermique usée des centrales électriques ou des puits à usage direct est injectée directement dans les échangeurs de chaleur de la piscine.

Technologies de mise en œuvre

La capture et la distribution de la chaleur des déchets géothermiques nécessitent un ensemble de technologies éprouvées. Les composants les plus courants sont les échangeurs de chaleur, les pompes à chaleur, les conduites de chauffage urbain et les systèmes de commande. Le choix de la technologie dépend de la température, du débit et de la composition chimique du flux de chaleur des déchets, ainsi que de la distance entre l'utilisateur final.

Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur transfèrent l'énergie thermique du fluide géothermique (souvent du condensat de saumure ou de vapeur) à un fluide de travail propre sans mélanger les deux. Les échangeurs de chaleur en plaques et les échangeurs de chaleur en coque et en tube sont largement utilisés. Ils doivent être construits en matériaux résistant à la corrosion tels que l'acier inoxydable ou le titane si le fluide géothermique est chimiquement agressif.

Pompes à chaleur

Lorsque la température de la chaleur résiduelle est trop basse pour être utilisée directement (p. ex., moins de 40°C), les pompes à chaleur peuvent la mettre à une température utile. Les pompes à chaleur géothermiques couplées aux flux de chaleur usées permettent d'obtenir des rendements plus élevés que ceux qui utilisent les températures ambiantes au sol ou à l'air. Par exemple, une source de chaleur résiduelle à 30°C peut être augmentée à 60°C avec une COP de 5 ou plus, ce qui signifie que cinq unités de chaleur sont livrées pour chaque unité d'électricité consommée.

Réseaux de chauffage de district

Pour la chaleur des déchets géothermiques, le réseau fonctionne généralement avec des températures d'alimentation de 70°C–90°C et des températures de retour de 30°C–45°C. Les tuyaux modernes utilisent l'isolation en mousse de polyuréthane et le boîtier en polyéthylène, réduisant les pertes de chaleur à moins de 5 % par kilomètre.

Défis et solutions émergentes

Malgré les avantages évidents, l'adoption généralisée de l'utilisation de la chaleur des déchets géothermiques est confrontée à plusieurs obstacles, qui sont relevés par l'innovation technologique, l'appui aux politiques et la collaboration de l'industrie.

Coûts d'immobilisations et infrastructures

Pour les installations industrielles, la période de récupération peut être de trois à sept ans, ce qui peut constituer un obstacle dans les industries à capitaux limités. Toutefois, des mesures incitatives financières comme les crédits d'impôt, les subventions et la tarification du carbone améliorent l'économie. De plus, les conceptions modulaires et évolutives des systèmes réduisent les coûts initiaux en permettant la mise en oeuvre progressive.

Conditions spécifiques au site

La distance entre la source de chaleur et l'utilisateur final affecte également la viabilité. Cependant, les progrès dans le forage directionnel et les échangeurs de chaleur à trous bas ont permis d'accéder à des ressources plus profondes et plus chaudes. La technologie des systèmes géothermiques améliorés (SGE) peut créer des réservoirs dans les roches sèches chaudes, élargissant la gamme géographique du potentiel de chaleur des déchets géothermiques.

Corrosion et mise à l'échelle

Les fluides géothermiques contiennent souvent des minéraux et des gaz dissous qui peuvent causer une échelle (p. ex., silice, carbonate de calcium) et la corrosion de l'équipement. Il faut pour cela choisir soigneusement les matériaux, traiter les produits chimiques ou concevoir des éléments tels que la cristallisation éclair pour éliminer les composés d'échelle avant que le fluide ne pénètre dans les échangeurs de chaleur.

Obstacles à la réglementation et aux permis

Dans de nombreux pays, le cadre réglementaire pour l'utilisation de la chaleur des déchets géothermiques est sous-développé.Il peut être nécessaire de prévoir des permis pour l'extraction, la réinjection et la distribution de chaleur des fluides, et la classification de la chaleur des déchets comme ressource plutôt que comme déchet peut être ambiguë.

Perspectives d'avenir

Selon l'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA), la puissance géothermique installée dépasse 15 GW à l'échelle mondiale, avec 20 GW supplémentaires de capacité d'utilisation directe. Même si une fraction seulement de la chaleur résiduelle associée est captée, elle pourrait déplacer des millions de tonnes de CO2 annuellement. Le potentiel technique de la chaleur industrielle seule est estimé à des centaines de TWh par an.

En outre, les engagements de durabilité des entreprises et les objectifs de réduction nette zéro du gouvernement créent une demande de chaleur à faible teneur en carbone. En troisième lieu, les systèmes hybrides qui combinent la chaleur des déchets géothermiques et la chaleur thermique solaire, la biomasse ou le stockage de la chaleur apparaissent comme des solutions flexibles qui peuvent fournir de la chaleur sur demande. Enfin, la numérisation et les contrôles intelligents permettent une expédition optimisée des ressources en chaleur des déchets à de multiples utilisateurs, maximisant ainsi les taux d'utilisation.

Des innovations telles que les cycles de mise en fond du cycle biologique de Rankine (ORC), qui peuvent produire de l'électricité supplémentaire à partir de la chaleur de déchets à moyenne température, étendent également l'enveloppe économique.

La chaleur des déchets géothermiques n'est pas un sous-produit marginal; c'est une ressource stratégique qui peut transformer l'économie énergétique des industries et des collectivités. En privilégiant sa capture et son utilisation, les entreprises peuvent réduire les coûts d'exploitation, améliorer la sécurité énergétique et contribuer de façon significative aux objectifs climatiques mondiaux.