Brevet FR2962195A1 — publié le 20120106

-1- La présente invention concerne un nouveau procédé de Centrales électriques valorisant la chaleur géothermique de moyenne énergie (température = 100-150°C, et profondeur = 2'000 m) au moyen d'un circuit primaire de type organique frigorigène. L'invention peut aussi être extrapolée pour du chauffage ou de la cogénération y compris à certaines basses et hautes énergies. Pour bien comprendre l'intérêt de ce nouveau dispositif, tout particulièrement dans le cadre de la génération d'électricité, il faut se rappeler le fonctionnement de l'existant et ainsi voir les changements apportés. En dehors de quelques cas très particuliers de vapeur d'eau géothermique naturelle très chaude dans des zones volcaniques (Islande, Indonésie, Centrale de Bouillante en Guadeloupe), la technique géothermique à vocation d'importante génération d'électricité qui depuis 1987 occupe tous les esprits est celle développée dans le pilote européen d'expérimentation à Soultz-sous-Forêts en Alsace selon la figure n°1. Cette technique vise à injecter (1) puis remonter (3) et recycler (4) de l'eau dans un circuit primaire (b) foré en triplet géothermique jusqu'aux roches profondes fracturées chaudes à 200-250°C sous 5'000 m (2). Dans une installation de surface (d) les calories prélevées par le circuit primaire (b) en eau sont, au travers d'un évaporateur (a), partiellement transmises à un circuit fermé secondaire (c) selon le principe ORC "Organic Rankine Cycle" (type frigorigène) en figure n° 2. Sortant de l'évaporateur (a), la vapeur organique de ce cycle fait tourner un turbo-alternateur (f)+(g), qui génère de l'électricité envoyée au réseau (e). Puis la vapeur organique est ramenée à l'état liquide dans un condenseur (h) refroidi par un circuit tertiaire (k) externe, en eau ou air, le liquide organique étant finalement réintégré dans le cycle par une pompe (i). La recherche menée en Alsace depuis plus de 20 ans peine à percer car elle se heurte à de très grandes difficultés dans le débouchage/détartrage des fractures existantes au sein du granite par grande injection d'eau sous pression. C'est aussi sans compter la dangerosité de ce type de forage pour les foreurs comme pour la planète en termes de risque de rencontre explosive avec des poches de gaz ou de séismes induits par perturbation sur les forces et contraintes élastiques géologiques. Enfin ce type de Centrale ne concerne que quelques zones favorables "haute énergie" à fort gradient géothermique. Le cycle fermé de Rankine, à l'ammoniac (NH3) ou autre fluide frigorigène, s'inspire des développements pilotes en Energie Thermique des Mers (ETM, OTEC, DOWA). Ce principe est dérivé de l'industrie du froid, des réfrigérateurs et des pompes à chaleur (PAC) dont le compresseur est remplacé par un groupe turboalternateur. Placé en circuit secondaire ce cycle organique doit cependant se contenter de performances réduites. Il gagne à être mis au plus près de la source chaude. 2962195 -2- Pour rappel l'intérêt des fluides frigorigènes est leur grande propriété d'absorption de chaleur (calories) à bas niveau de température, lorsqu'ils passent de leur phase liquide à leur phase gazeuse (la chaleur absorbée par le fluide lors du changement d'état est 5 appelée : chaleur latente de vaporisation). Ils commencent à bouillir, et donc produire de la vapeur, à des températures très basses (par exemple pour l'ammoniac NH3: : à - 30 °C en dessous de zéro sous pression atmosphérique mais environ 0°C sous 4,3 bar et + 20°C sous 8,2 bar). Cela a déjà surtout facilité l'accès aux sources de basse énergie ( REVENDICATIONS1) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique de moyenne énergie caractérisé en ce qu'il comporte un circuit primaire fermé de fluide frigorigène (figure n°3) pour la génération d'électricité, le chauffage ou la cogénération. 2) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte, en première variante simplifiée de forage géothermique, un puits vertical (figure n°7) avec deux tuyaux concentriques (1) et (3) terminés par une "base"/un "sabot" (p) aménagé, toutes parties rendues étanches. 3) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte, en seconde variante de forage géothermique étanche, un puits dévié et dirigé (figure n°6) avec deux tuyaux concentriques (1) et (3) terminés par une "base"/un "sabot" (p), toutes parties rendues étanches, dont le cheminement profond est quasi horizontal pour favoriser l'échange thermique et la récupération de chaleur. 4) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique selon revendications 1 à 3 caractérisé par des forages en aquifères profonds de moyenne énergie, chargés en sels et non potables mais bons conducteurs thermiques, avec adaptation de la "base"/ le "sabot" (p) afin d'optimiser l'échange thermique profond en poche d'eau et tenir à la corrosion. 5) Centrale de génération d'électricité mettant en oeuvre le dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle utilise un cycle frigorigène simplifié (figure n°3), où turboalternateur, condenseur et pompe peuvent s'affranchir de l'évaporateur (a). 6) Utilisation de la chaleur géothermique selon revendications 1 à 4 caractérisé par une extrapolation en forages très profonds de haute énergie (> 150°C) oommo altos à une 7) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'une pompe à chaleur (pour chauffage résidentiel, tertiaire ou industriel) y est installée et adaptée de sorte que la partie évaporateur est remplacée par le forage recevant le fluide frigorigène. C'est le sol chaud plus ou moins profond qui joue lui-même le rôle d'évaporateur. 8) Dispositif de récupération de la chaleur géothermique ' " selon revendications 1 à 4 caractérisé par des forages de quelques centaines de mètres de profondeur sur sites isolés, en chauffage ou cogénération à faible ou moyenne énergie et puissance à titre d'usages individuels ou de communauté réduite.