La production d'énergie électrique

La production d'énergie mécanique ou électrique s'obtient en faisant passer la vapeur issue du sous-sol au travers d'une turbine à vapeur. Ces applications concernent essentiellement les champs géothermiques moyenne et haute énergie; c'est-à-dire les contextes géologiques où la température est comprise entre 90°C et 250°C.

>> Centrale de production électrique conventionnelle de Bouillante

>> Centrale pilote de production électrique non-conventionnelle de type EGS de Soultz-Sous-Fôrets

Centrale de production d'électricité par géothermie, Bouillante, Guadeloupe © BRGM

À l'intérieur du réservoir géothermal, il y a de l'eau sous forme liquide ou vapeur ou encore un mélange de ces deux phases. Un forage géothermique pourra produire de la vapeur seule (dite vapeur sèche) ou un mélange des deux phases liquide et vapeur (on parle alors de vapeur humide). L'état du fluide dans le réservoir dépend de la pression et de la température. Leur valeur déterminera également son potentiel énergétique (enthalpie). Selon la nature et les propriétés du fluide arrivant en surface, on utilise différents systèmes pour produire de l'électricité.

Cycle indirect à condensation

La vapeur en provenance du sous-sol n'est pas envoyée directement dans la turbine, mais cède sa chaleur à de l'eau douce par l'intermédiaire d'un échangeur. Le caractère corrosif du fluide nécessite la mise en place de deux circuits. C'est sur ce principe qu'ont été expérimentées les premières installations à Larderello en Italie.

Cycle direct à contre-pression

La vapeur, directement ou après séparation d'avec la phase liquide, entraîne une turbine. À sa sortie la vapeur est, soit envoyée à l'atmosphère, soit dirigée vers un utilisateur de chaleur situé à proximité. Dans le deuxième cas, il s'agit de production combinée de chaleur et d'électricité désignée sous le vocable de cogénération.

Cycle direct à condensation

Dans ce cycle, la vapeur à la sortie de la turbine est condensée et évacuée sous forme liquide. Le rendement mécanique ou électrique est ainsi amélioré.

Cycle à vaporisation

Le fluide extrait, constitué de vapeur et d'eau passe par un séparateur de phase, la vapeur est dirigée vers l'étage haute pression de la turbine ; l'eau est vaporisée par abaissement de sa pression puis dirigée vers la turbine à un étage inférieur.

Cycle à fluide binaire – cycle de Rankine (ORC)

Principe de fonctionnement d'un cycle binaire © ADEME-BRGMContrairement aux cycles précédents, le fluide géothermal est maintenu sous pression à l'état liquide au moyen d'une pompe placée dans le(s) puits. En surface, le fluide géothermal est amené dans un échangeur de chaleur où il cède une partie de son énergie à un fluide volatil (alcane, HCFC...), appelé fluide de travail, présentant la propriété de se vaporiser à basse température. Le fluide de travail ainsi vaporisé est ensuite détendu dans une turbine couplée à un alternateur, puis condensé au contact du circuit d'eau de refroidissement d'un condenseur. Le liquide obtenu est alors renvoyé à l'échangeur de chaleur, au moyen d'une pompe, pour effectuer un nouveau cycle (vaporisation, détente, condensation, pressurisation).
Le fluide de travail évolue donc en circuit fermé. Le fluide géothermal est, quant à lui, rejeté en surface ou réinjecté dans sa formation d'origine après son passage dans l'échangeur de chaleur et épuisement de son contenu énergétique. Cette technologie est commercialement développée depuis le début des années 1980 et tend à se développer. Elle concerne des fluides géothermaux dont la température se situe entre 90 °C et 150 °C. Elle est limitée à de petites puissances (de l'ordre de quelques centaines de kW à quelques MW) et est particulièrement adaptée à l'alimentation en électricité de zones isolées éloignées des réseaux de distribution d'énergie électrique telles que les zones insulaires ou les zones de montagne.

Chaleur et électricité: la cogénération

L’utilisation directe de la chaleur retirée du sous-sol est d’une grande efficacité, parce que la quasi-totalité des calories produites peuvent être valorisées. En revanche, il faut pouvoir l’utiliser dans un rayon géographique de quelques kilomètres, de préférence pour une activité qui demande de la chaleur en continu, tout au long de l’année comme les serres ou les piscines...

En transformant la chaleur en électricité, on gagne en souplesse d’utilisation et en facilité de transport grâce au réseau de distribution existant. Mais ce passage du watt thermique au watt électrique se fait au prix de pertes importantes : le rendement net se situe aujourd’hui entre 10 % et 14 %.

    Une solution d’avenir est donc de coupler des centrales électriques à des réseaux ou micro-réseaux de chaleur et de faire de la cogénération; on pourrait également envisager de la trigénération en couplant le système à une thermo-frigopompe pour produire du froid.

    Principe de fonctionnement d'un système de cogénération par géothermie © GEIE Soultz