Brevet FR2881482A1 — publié le 20060804

La présente invention a trait à la production d'énergie mécanique à partir d'énergie géothermique. La géothermie est une ressource énergétique qui présente de nombreux avantages. Elle évite le recours à des combustibles fossiles épuisables. De plus, elle ne produit pas et évite l'envoi de CO2 à l'atmosphère. Par ailleurs, la géothermie ne présente pas le caractère intermittent de l'énergie solaire ou éolienne. Donc, de ce point de vue, elle est bien adaptée pour une production en base d'électrique. Une difficulté toutefois provient du fait que, pour des profondeurs communément atteintes par forage, sauf dans des régions où le gradient géothermal est particulièrement élevé, la chaleur d'origine géothermale est disponible à des températures relativement peu élevées, ne dépassant pas 150 C. Dans un tel cas, il n'est pas possible de générer de la vapeur d'eau directement dans le sous-sol. On utilise donc une circulation d'eau chaude, en utilisant un doublet géothermique formé par un puits d'injection et un puits de production: l'eau chaude est produite par un premier puits et après échange de chaleur, elle est injectée dans le soussol par un second puits. Ceci présente de nombreux inconvénients: Il faut circuler des débits très importants d'eau, et, pour une certaine puissance extraite, on ne peut limiter le débit qu'en augmentant l'écart entre la température produite et la température de l'eau réinjectée. De ce fait le rendement du cycle de production d'énergie diminue. - Dans la plupart des cas, il faut réaliser un cycle indirect, dans lequel le fluide du cycle de Rankine est vaporisé par échange de chaleur, ce qui abaisse encore la température de vaporisation, en raison de l'écart de température dans l'échangeur de chaleur. Dans le cas de la géothermie à basse ou moyenne température, on est amené à utiliser un fluide organique, avec les inconvénients que cela représente: disponibilité du fluide, risques liés à sa manipulation, complexité et coût accru de l'installation. L'eau chaude qui remonte sous pression solubilise des sels présents dans la roche et ceci d'autant plus que la température est élevée. La saumure qui circule dans le doublet géothermique est donc très corrosive. Le document US 6,668,554 B1 propose d'utiliser du dioxyde de carbone comme fluide pour récupérer de la chaleur géothermique, en le réinjectant à l'état supercritique. Cette exploitation est réalisée dans le contexte de la géothermie en roche sèche, le dioxyde de carbone étant utilisé pour fracturer la roche et circulant ensuite dans les fractures. Le procédé divulgué par le document US 6,668,554 B1 est bien adapté pour des exploitation hautes températures, comprises de préférence entre 150 et 500 C. La présente invention propose de produire de l'énergie mécanique à partir d'énergie géothermique qui permet notamment d'exploiter de façon performante et économique les gisements géothermiques à basse ou moyenne température. L'invention consiste à utiliser comme fluide thermodynamique du CO2, qui est injecté en phase liquide dans le sous-sol, est récupéré sous forme de vapeur supercritique à relativement haute pression et haute température, est détendu, refroidi par échange avec un fluide ambiant de refroidissement, et recyclé. De manière générale, la présente invention concerne un procédé de production d'énergie mécanique à partir d'énergie géothermique, dans lequel on effectue les étapes suivantes: - on extrait un fluide à l'état gazeux supercritique d'un réservoir 5 souterrain, le fluide comportant au moins 50% de CO2, on détend le fluide à travers une turbine, - on récupère de l'énergie mécanique sur l'arbre de la turbine, on liquéfie, par exemple par refroidissement, le fluide détendu, - on injecte le fluide liquide dans le réservoir souterrain. Selon l'invention, on peut détendre le fluide jusqu'à une pression inférieure à la pression critique du CO2. De plus, on peut détendre le fluide jusqu'à une pression supérieure à la pression de condensation du CO2, cette pression de condensation étant prise à la température de liquéfaction du fluide détendu. On peut injecter, en outre, un débit supplémentaire de CO2 destiné à être stocké dans le réservoir souterrain. Le réservoir souterrain peut être un aquifère et/ou un réservoir d'hydrocarbures. Le réservoir souterrain peut être un milieu formé par une 20 roche gréseuse ou carbonatée. Selon l'invention, l'extraction et l'injection du fluide peuvent être réalisées à travers des puits comportant des parois revêtues d'une couche de matériau thermiquement isolant. On peut liquéfier ledit fluide en le refroidissant par échange de chaleur 25 avec au moins l'un des éléments suivants de l'air ambiant, de l'eau, un fluide réfrigérant produit par un circuit de réfrigération. Avant l'injection, le fluide peut être stocké sous forme liquide. L'énergie mécanique récupérée peut être transformée en énergie électrique. Le fluide peut comporter moins de 10% d'eau. Plus précisément, le fluide peut comporter plus de 90% de CO2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 5 compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels: la figure 1 illustre le principe de l'invention, la figure 2 représente un diagramme thermodynamique du CO2, la figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention, 10 la figure 4 représente une variante du principe de l'invention. Sur la figure 1, le CO2 se trouve dans un réservoir souterrain R à l'état de vapeur supercritique à une température et une pression, qui dépendent de la profondeur et du gradient géothermique. Par exemple dans le cas d'une profondeur comprise entre 2000 m et 3000 m, la pression est habituellement comprise entre 200 bars et 300 bars, mais peut être plus élevée dans le cas d'un réservoir géo-pressurisé. La température du réservoir peut être comprise entre 70 C et 150 C. La vapeur de CO2, supercritique remonte à l'état supercritique par le puits de production PR. La vapeur de CO, qui remonte peut être saturée en eau, mais dans le cas d'un gradient thermique moyen de l'ordre de 30 C par kilomètre, la teneur en eau ne dépasse pas quelques pourcents. Dans le cas d'un gradient géothermique élevé la proportion d'eau dans la phase vapeur de CO, qui remonte par le puits de production PR peut devenir relativement importante et dans certains cas dépasser 10%. En d'autres termes, la pression du CO, à l'intérieur du puits PR est supérieure à la pression critique du CO2, c'est-à-dire supérieure à 75 bars. La remontée du CO2 dans le puits PR provoque une baisse de pression. Le fait de remonter de la vapeur de CO, supercritique permet de limiter le poids de la colonne hydrostatique, et donc de limiter la baisse de pression lors de l'extraction du CO,,. Par exemple, si le fluide est au départ à 200 bars et 150 C, à une profondeur de 2000 m dans le réservoir R, la remontée dans le puits se traduit par une baisse de pression de l'ordre de 60 bars. Il est avantageux d'opérer cette remontée en maintenant la température aussi élevée que possible. Pour cela, le puits de remontée est de préférence isolé thermiquement. Ceci permet de minimiser la chute d'enthalpie de la vapeur de CO,. Le CO, vapeur n'entraînant pas de sels, on évite ainsi les principaux 10 problèmes de corrosion et de dépôts solides liés à la circulation de saumure à haute température. A la sortie du puits de production PR, la phase vapeur supercritique est envoyée par le conduit 1 au dispositif de détente Ti. La phase vapeur est ensuite détendue dans le dispositif de détente Ti, en produisant de l'énergie mécanique, qui peut servir à entraîner un générateur électrique. La phase vapeur est détendue jusqu'à une pression inférieure à la pression critique du CO2, par exemple à une pression inférieure à 70 bars. De préférence, la phase vapeur est détendue jusqu'à une pression proche de la pression de condensation. Ensuite, le CO, détendu est évacué du dispositif de détente Ti par le conduit 2. Ainsi par exemple, le CO, est détendu à environ 20 C et environ 60 bars, conditions qui correspondent à un point de rosée du CO,. Le CO, détendu est condensé dans l'échangeur de chaleur Cl. Par exemple, le CO, est refroidi par échange de chaleur indirect avec l'eau provenant d'une nappe phréatique, qui est par exemple à une température de 12 C. Le CO2 liquide est évacué de l'échangeur de chaleur Cl par le conduit 4, puis est stocké dans le ballon de stockage B1. En sortie du ballon de stockage B1, le CO, est repris par la pompe P1 et injecté par le conduit 5 dans le puits d'injection PI. En outre, un appoint de CO2 arrivant par le conduit 3 peut également être injecté dans le puits d'injection PI afin d'être stocké dans le réservoir R. Ceci permet l'injection de CO2 dans le sous-sol, qui suscite à l'heure actuelle un intérêt croissant pour limiter les émissions de CO2 dans l'atmosphère. En effet, il a été préconisé récemment d'injecter le CO2 en phase liquide et les conditions nécessaires pour effectuer une telle injection en phase liquide ont été précisées. Le procédé selon l'invention peut être ainsi couplé à un dispositif d'injection de CO2 dans le sous-sol en vue d'un stockage de CO2. Dans ce cas, on fait circuler dans le puits d'injection un débit de CO2 qui est la somme du débit injecté pour être stocké et du débit qui re-circule. Le puits d'injection PI est de préférence isolé, pour maintenir la veine fluide à une température aussi basse que possible et ainsi maximiser la remontée de pression au cours de la descente du fluide dans le puits d'injection PI jusque dans le réservoir R. Le CO2 sous forme liquide peut être facilement réinjecté dans un puits. En effet le poids de la colonne hydrostatique du CO2 liquide facilite l'injection. De plus, en injectant le CO2 sous forme liquide, le poids de la colonne hydrostatique dans le puits PI est plus grand que le poids de la colonne hydrostatique de CO2 à l'état de vapeur supercritique dans le puits PR. Cela permet de produire le CO2 en tête du puits PR à une pression supérieure à la pression d'injection du CO2 dans le puits PI. On peut choisir la pression d'injection et/ou la température d'injection du CO2 dans le puits PI de manière à produire du CO2 en tête du puits PR à l'état de vapeur supercritique. Par exemple, on peut ajuster la pression d'injection du CO2 au moyen de la pompe P1 et on peut ajuster la température d'injection du CO2 au moyen de l'échangeur de chaleur Cl. De plus, on peut contrôler et ajuster la pression de production du CO2 au moyen d'une vanne disposée en tête du puits de production PR. Ainsi, selon l'invention, le fait d'injecter le CO2 sous forme liquide permet de produire du CO2 à l'état de vapeur supercritique, puis de produire directement de l'énergie mécanique par détente de cette vapeur de CO2. Selon l'invention, le CO2, du fait de ses caractéristiques thermodynamiques, est particulièrement bien adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour produire de l'énergie mécanique à partir d'énergie géothermique provenant de réservoir à basse ou moyenne température, par exemple comprise entre 70 C et 150 C. L'exemple numérique présenté ci-après en relation avec le diagramme thermodynamique de la figure 2 permet d'illustrer l'invention. La figure 2 représente les courbes d'équilibre thermodynamique du CO2 dans un diagramme indiquant l'enthalpie en abscisses et la pression en ordonnées. Le CO2 est stocké dans un réservoir souterrain à une profondeur de l'ordre de 2000 m, à une pression de l'ordre de 260 bars (point (1) sur le diagramme) et à la température de 130 C. En tête du puits de remontée PR, la pression est de l'ordre de 200 bars et la température est d'environ 120 C (point (2) sur le diagramme). Après détente dans la turbine Tl, la pression est proche de 60 bars (point (3) sur le diagramme) . Le rendement isentropique de la turbine de détente étant de 90 %, le travail mécanique produit est de 54 kJ/kg de CO2. Ainsi, si on fait circuler un million de tonnes par an de CO2, la puissance mécanique produite dans la turbine Ti est d'environ 6,75 MW. Le CO2 est ensuite condensé à 20 C et ressort du condenseur Cl à 60 bars et 20 C (point (4) sur le diagramme). Il est ensuite injecté dans le puits d'injection, dans lequel la pression remonte sous l'effet de la gravité. Lorsque le CO2 circule dans le réservoir R, sa température augmente jusqu'à atteindre la température du réservoir R (point (1) sur le diagramme). Le réservoir R peut être tout type de sous-sol formant un milieux poreux et perméable, pouvant servir de volume de stockage pour le dioxyde de carbone injecté. Ce milieu poreux et perméable peut être formé par exemple par une 5 couche de grès ou par un milieu carbonaté, surmonté par une couverture imperméable, telle de l'argile ou du schiste. Le milieu poreux est typiquement occupé par un aquifère. La profondeur de l'aquifère dans lequel le dioxyde de carbone est injecté peut se situer par exemple entre 100 m et 3000 m de profondeur. La température peut se situer par exemple entre 70 C et 150 C. Le milieu poreux et perméable peut également être occupé au départ par un hydrocarbure et notamment par un pétrole brut. Dans ce cas, l'injection de CO2 peut contribuer à améliorer la récupération du pétrole contenu dans le réservoir formé par le milieu poreux. La production d'énergie par détente de dioxyde de carbone vaporisé est de préférence combinée avec un stockage de dioxyde de carbone dans le soussol. En période de stockage, le débit injecté dans le sous-sol est supérieur au débit soutiré. En référence à la figure 3, chacun des puits de production et d'injection peut comprendre plusieurs parties (4 et 6, 7 et 9), correspondant à des phases successives de forage. Chacun des puits est cimenté et isolé. Le CO2 à l'état de vapeur supercritique est évacué par le puits de production PR, à travers le tube de production 10. Le tube 10 est placé dans un puits comportant les cuvelages de puits 7 et 9 de section décroissante avec la profondeur, du fait qu'il est foré par phases successives avec des outils de diamètre décroissant. Dans la partie basse du cuvelage 7, le tubage est maintenu par des moyens d'étanchéité. Le CO2 refroidi est injecté dans le puits d'injection PI. Il circule dans le tube 3, placé dans un puits PI comportant les cuvelages de puits 4 et 6 de section décroissante avec la profondeur. Lorsque la température du fluide externe de refroidissement ne permet pas de refroidir le CO2 au dessous de sa température critique et de le condenser en phase liquide, on peut refroidir le CO, de manière à le condenser en utilisant un cycle frigorifique, qui est entraîné en prélevant, par exemple, une fraction de la puissance mécanique produite par la machine de détente. La figure 4 représente une partie du procédé de la figure 1, dans lequel on a remplacé l'échangeur Cl par l'échangeur E1. En référence à la figure 4, le CO, vapeur sortant de la turbine de détente Ti est refroidi clans l'échangeur E 1, par un fluide frigorigène, qui est vaporisé dans l'échangeur El, comprimé dans le compresseur K1, puis condensé dans le condenseur C, par échange avec le fluide ambiant de refroidissement eau ou air disponible, puis détendu dans la vanne de détente Vl et recyclé à l'échangeur El. Différentes dispositions peuvent être adoptées dans le cadre de l'invention. Il est possible par exemple d'utiliser plusieurs puits de production associés à un ou plusieurs puits d'injection. Différentes distances entre les puits et différentes géométries dans la disposition des puits peuvent être utilisées, sans sortir du cadre de la présente invention. Il est également possible d'utiliser différentes géométries de puits: déviés ou horizontaux, pour exploiter au mieux la ressource géothermale. Après détente, il est également possible de refroidir le CO, en chauffant une installation ou un ensemble résidentiel. Différents matériaux et différents types d'équipements peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Les tubages des puits peuvent être réalisés en acier, en recevant un revêtement anti-corrosion. Les échangeurs utilisés peuvent être de type tubes-calandre ou à plaques. Le dispositif de détente est constitué de préférence par une turbine, mais peut être également constitué par une machine à pistons. REVENDICATIONS 1) Procédé de production d'énergie mécanique à partir d'énergie géothermique, dans lequel on effectue les étapes suivantes: on extrait un fluide à l'état gazeux supercritique d'un réservoir souterrain, le fluide comportant au moins 50% de CO2, on détend le fluide à travers une turbine, on récupère de l'énergie mécanique sur l'arbre de la turbine, on liquéfie le fluide détendu, on injecte le fluide liquide dans le réservoir souterrain. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détend le fluide 15 jusqu'à une pression inférieure à la pression critique du CO2. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel on détend le fluide jusqu'à une pression supérieure à la pression de condensation du CO2. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on injecte, en outre, un débit supplémentaire de CO2 destiné à être stocké dans le réservoir souterrain. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 25 réservoir souterrain est choisi parmi un des réservoirs suivants: un aquifère et un réservoir d'hydrocarbures. 6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel le réservoir souterrain est un milieu poreux et perméable formé par l'un des milieux suivants: roche gréseuse et roche carbonatée. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'extraction et l'injection du fluide sont réalisées à travers des puits comportant des parois revêtues d'une couche de matériau thermiquement isolant. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on liquéfie en refroidissant ledit fluide par échange de chaleur avec au moins l'un des éléments suivants: de l'air ambiant, de l'eau, un fluide réfrigérant produit par un circuit de réfrigération. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel avant 15 l'injection, le fluide est stocké sous forme liquide. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'énergie mécanique récupérée est transformée en énergie électrique. 11) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide comporte moins de 10% d'eau. 12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide comporte plus de 90% de CO2.