Centrale géothermique d'un réseau de chaleur

La boucle géothermale véhicule l'eau extraite du sous-sol jusqu'à la centrale géothermique puis à nouveau vers le sous-sol. Ensuite, le réseau de chaleur géothermique distribue la chaleur en surface après échange. Ainsi l'élément principal d'une centrale géothermique de production de chaleur est l'échangeur de chaleur. Si la température de la ressource n'est pas adaptée à l'usage prévu, on peut avoir recours à un système de pompe à chaleur; un appoint peut être utilisé en secours.

 

Circuit géothermal et circuit géothermique ©ADEME-BRGM
Vue générale d'un réseau de chaleur alimenté par géothermie ©ADEME-BRGM

L'échangeur de chaleur

La performance d'un échangeur placé dans une installation de géothermie est caractérisée par l'écart entre les températures à l'entrée de la boucle géothermale et à la sortie du réseau de chaleur.
Cet écart appelé « pincement », doit être aussi faible que possible (de l'ordre de 2°C). La maintenance de ce matériel doit être aisée en raison des risques d'encrassement.

Les échangeurs peuvent être de types différents : échangeurs multitubulaires, échangeurs spirales, échangeurs à plaques.

Les meilleures performances sont obtenues avec des échangeurs à plaques. Ces matériels sont constitués de plaques embouties de faible épaisseur assemblées verticalement les unes à la suite des autres. Les espaces entre les plaques étant alternativement traversés par le circuit primaire (eau géothermale) et par le circuit secondaire. Ces échangeurs permettent une surface d'échange importante dans un espace réduit. Ils peuvent être agrandis en ajoutant le nombre de plaques nécessaire. Les matériaux utilisés dans les échangeurs doivent pouvoir résister à la corrosion inhérente à la majorité des fluides géothermaux. Ils peuvent être constitués en acier revêtu, en acier inoxydable ou en titane. Ce dernier matériau s'est révélé particulièrement adapté aux exigences d'exploitation du fluide du Dogger du Bassin parisien chargé en éléments corrosifs vis-à-vis des métaux ferreux.

Echangeur à plaques ©ADEME-BRGMEchangeur à plaques. ce type d'échangeurs offre une surface d'échange importante entre la boucle géothermale et le réseau de chaleur.

1. Entrée du fluide géothermal

2. Sortie du fluide géothermal

3. Entrée du fluide du réseau de chaleur

4. Sortie du fluide du réseau de chaleur

L'usage de pompes à chaleur en relève

Pompe àchaleur de plus de 13m de long destiné aux grands ensembles © Friotherm Pour augmenter les performances d’un réseau de chaleur, il peut être envisagé d’associer au réseau une pompe à chaleur (PAC) qui permettra d’exploiter au maximum l’énergie géothermale disponible, en abaissant la température de retour dans la boucle géothermale.

L’utilisation complémentaire de pompe à chaleur permet également d’exploiter des ressources dont les températures seraient trop faibles pour pouvoir être utilisées directement mais suffisamment élevées pour être utilisées de manière efficace dans un réseau de chaleur. Plusieurs configurations existent pour l’insertion de la pompe à chaleur dans le réseau. Elles dépendent de l’emplacement du condenseur de la pompe à chaleur.

Condenseur en série avec l'échangeur

Condenseur en série avec l'échangeur ©ADEME-BRGML’évaporateur de la PAC refroidit le retour du circuit géothermique. Les calories prélevées sont transférées au niveau du condenseur qui augmente ainsi la température de départ du circuit géothermique.

Condenseur en parallèle avec l'échangeur

Condenseur en parallèle avec l'échangeur ©ADEME-BRGML'évaporateur de la PAC refroidit le retour géothermal après échangeur et transfère les calories prélevées sur un circuit dérivé du retour du circuit géothermique. Cette solution consiste en fait à augmenter artificiellement le débit et donc, la puissance de l'installation.

L'utilisation d'appoint

Différents montages peuvent être envisagés pour l’appoint, qui peut également servir en système de secours :

Appoint centralisé

L’appoint est installé dans la centrale géothermique. C’est la solution la mieux adaptée à la conduite d’un réseau de chaleur géothermique.

Appoint décentralisé

Cette solution consiste à conserver les chaufferies des ensembles existants raccordés au réseau. Le réseau de chaleur délivre en « base » de l’énergie géothermique et chaque chaufferie des abonnés assure son appoint et son secours. Dans ce cas de figure, l’investissement est limité, mais la gestion optimale du réseau est plus difficile et les coûts de maintenance plus élevés. Il est préférable que ces chaufferies soient gérées par un seul exploitant, celui du réseau.

Appoint semi-centralisé

Si certains sites présentent plusieurs chaufferies préexistantes, en général surpuissantes pour les ensembles qu’elles desservent, alors elles peuvent servir d’appoint sur le réseau. Certaines peuvent également se déconnecter du réseau si nécessaire et assurer les besoins des bâtiments auxquels elles sont associées.

Traitements anti-corrosion

© Sthal Puits en composite contre la corrosion Le quatrième forage géothermique, sur le site de Melun l’Almont exploitant la nappe du Dogger à l’eau très saline (12 à 15 g/l pour les différents sels), fut l’occasion de réaliser un puits de nouvelle génération équipé de tubages en matériaux composites offrant une bonne résistance aux phénomènes de corrosion.Dans une centrale géothermique utilisant la chaleur d'un aquifère, de nombreux matériaux sont soumis à rude épreuve: tubes dans les forages, canalisations reliant les puits, échangeur, joints...

Ils sont victimes de différents types de corrosion au contact avec le fluide :

  • une corrosion chimique, le fluide peut être chargé de sels minéraux très agressifs,
  • une corrosion galvanique provoquée par la présence de courants électriques parasites,
  • une corrosion bactériologique; certaines souches bactériennes – éventuellement présentes dans le gisement et réactivées par l’abaissement de la température – augmentent la corrosion de l'acier et les sulfures, sous-produits de leur métabolisme, sont corrosifs).

Pour protéger l'installation, des traitements préventifs sont appliqués : injections de produits inhibiteurs pour obtenir un film protecteur ou éviter la cristallisation et la formation de dépôts, des produits bactéricides pour diminuer la concentration des micro-organismes. C'est le cas dans les forages de production du Bassin parisien pour annihiler les problèmes de corrosion liés à l'exploitation de la nappe du Dogger.

L'utilisation de tubages en matériaux composites pour les puits récents limite les effets néfastes de la corrosion.