Quels sont les différents types de centrales géothermiques ?

La géothermie est une énergie renouvelable exploitant la chaleur interne de la Terre pour produire de l’électricité et de la chaleur. Cette source énergétique est particulièrement prisée pour sa durabilité, son indépendance vis-à-vis des conditions climatiques et ses faibles émissions de gaz à effet de serre. En 2022, la géothermie représentait 0,33 % de la production mondiale d’électricité, avec des pays comme le Kenya ou l’Indonésie en tête des producteurs. Explorons les différents types de centrales géothermiques et leurs spécificités.

Les centrales à vapeur sèche

Les centrales à vapeur sèche sont les plus anciennes et les plus simples dans leur fonctionnement. Elles utilisent directement la vapeur géothermique naturellement présente sous terre pour produire de l’électricité.

• Fonctionnement : La vapeur, extraite des réservoirs souterrains, est dirigée vers une turbine qui actionne un générateur. Après utilisation, la vapeur est condensée puis réinjectée dans le sol.
• Conditions nécessaires : Ce type de centrale nécessite des températures très élevées, généralement supérieures à 150°C, et des réservoirs de vapeur naturelle.
• Exemples : La centrale de Larderello en Italie, inaugurée en 1904, a été la première au monde à produire de l’électricité grâce à la géothermie. Les centrales de The Geysers en Californie, quant à elles, constituent le plus grand complexe géothermique au monde.

Ce type de centrale est toutefois limité aux régions volcaniques, où les conditions géologiques sont particulièrement favorables.

Les centrales à cycle flash

Les centrales à cycle flash sont actuellement les plus répandues dans le monde en raison de leur capacité à exploiter des ressources géothermiques plus courantes.

Fonctionnement : L’eau chaude, pompée du sous-sol à des températures supérieures à 180°C, est acheminée à la surface. La baisse de pression provoque une vaporisation rapide (« flash »), et la vapeur ainsi produite actionne une turbine. L’eau non vaporisée est réinjectée dans le réservoir souterrain pour maintenir un cycle durable.

Avantages : Ce type de centrale est efficace, économise les ressources géothermiques et peut également être utilisé pour des applications de chauffage.

Exemples : L’Islande, avec ses nombreuses centrales à cycle flash, est un modèle mondial en matière d’exploitation de cette technologie.

Les centrales à cycle binaire

Les centrales géothermiques à cycle binaire diffèrent grandement de leurs homologues à vapeur sèche directe et flash. Comment? L’eau ou la vapeur extraite du réservoir chaud sous la surface de la terre n’entre pas en contact avec la turbine.

L’eau chaude est extraite du réservoir d’eau chaude situé en dessous et acheminée vers la centrale électrique à l’aide de canalisations. L’eau chaude est ensuite distribuée à chacun des réseaux d’unités de production d’électricité en parallèle à travers les grosses canalisations alimentant chaque rangée d’unités multiples. Chaque unité de production d’électricité produit sa propre électricité en même temps à partir du réservoir d’eau chaude.

Dans ce système à cycle binaire, l’eau ou la vapeur n’entre pas en contact avec une turbine. Au lieu de cela, sa chaleur est transférée à un second fluide de travail lorsqu’il glisse à travers les serpentins dans le réservoir d’échange de chaleur. Étant donné que le fluide de travail a un point d’ébullition beaucoup plus bas que l’eau, le fluide se vaporise (flash) rapidement à une température inférieure à 14 degrés Celsius et se déplace vers le haut en passant par la turbine.

La pression émanant de la vapeur fait tourner les turbines. Les turbines déclenchent le générateur pour produire de l’électricité. Chaque unité est capable de produire environ 280 KW de puissance. En synchronisant l’alimentation de toutes les unités, environ 11 mégawatts d’électricité sont produits par cette centrale.

L’eau de puits usée, qui est d’environ 21 degrés Celsius plus froide, est transférée vers des puits d’injection, où elle est pompée vers le réservoir d’eau chaude. Là, il est à nouveau chauffé par les roches chaudes et aspiré à nouveau pour continuer le cycle de production d’électricité.

Après avoir fait tourner la turbine, la vapeur est dirigée vers le haut dans le réservoir du condenseur. Ici, l’eau de refroidissement est autorisée à entrer dans le condenseur à partir des tours de refroidissement via des serpentins dans le réservoir du condenseur et refroidit finalement la vapeur, lui permettant de se condenser en fluide, qui s’accumule au fond du réservoir. L’eau de refroidissement entre généralement dans le réservoir de refroidissement à une température d’environ 19 degrés Celsius, mais après avoir rempli sa fonction de refroidissement du fluide de travail, elle est autorisée à quitter le réservoir à une température d’environ 30 degrés Celsius.

Le fluide de travail est maintenant autorisé à s’écouler par la sortie du réservoir vers la pompe. Dans la pompe, le fluide de travail est repressurisé et repompé dans le réservoir de l’échangeur pour répéter le cycle. Pour que l’eau soit réutilisée, on la laisse retourner à la tour de refroidissement, où elle est refroidie à 19 degrés Celsius.

Il est impératif de noter que les trois systèmes fluides du fluide de travail, de l’eau chaude du réservoir et de l’eau de refroidissement provenant de la tour de refroidissement restent dans leurs boucles individuelles et n’entrent jamais en contact pour éviter toute contamination et émission.

Les systèmes géothermiques stimulés (EGS)

Les systèmes géothermiques stimulés (ou EGS) élargissent considérablement le potentiel géothermique en permettant d’exploiter des ressources en profondeur, même en l’absence de fluides naturels.

• Fonctionnement : Des forages profonds (souvent à plus de 4 000 mètres) sont effectués, suivis d’une fracturation hydraulique pour créer des réservoirs artificiels. De l’eau injectée dans ces réservoirs est chauffée par la roche et pompée pour produire de l’électricité.
• Avantages : Cette technologie permet d’exploiter la chaleur terrestre dans des zones auparavant inaccessibles.
• Inconvénients : Les coûts élevés des forages et les risques de séismes induits constituent des défis majeurs.
• Exemples : Le projet de Soultz-sous-Forêts en France est un exemple réussi, bien que le projet de Bâle en Suisse ait été abandonné pour des raisons de sécurité sismique.

Perspectives mondiales de la géothermie

La géothermie est en pleine expansion, avec une puissance installée mondiale de 15 950 MW en 2020, principalement concentrée aux États-Unis, en Indonésie et aux Philippines. Les projections pour 2025 prévoient une augmentation de 21 %, avec une capacité installée atteignant 19 331 MW.

Des pays comme le Kenya, où 42,7 % de l’électricité est produite par la géothermie, montrent le potentiel de cette énergie renouvelable. Les efforts pour développer des technologies comme les EGS pourraient encore élargir son utilisation, notamment dans les zones non volcaniques.

Les avantages et les défis de la géothermie

Avantages :

• Source d’énergie renouvelable et durable.
• Faibles émissions de CO2 (environ 122 kg/MWh).
• Fonctionnement continu, indépendant des conditions climatiques.
• Possibilités de cogénération (chaleur et électricité).

Défis :

• Coûts initiaux élevés, notamment pour les forages profonds.
• Risques de séismes induits dans les projets EGS.
• Dépendance aux caractéristiques géologiques locales.

FAQ : Tout savoir sur les centrales géothermiques

Quels sont les pays leaders en production géothermique ?

Les États-Unis, l’Indonésie et les Philippines dominent la production mondiale, suivis par le Kenya, la Turquie et la Nouvelle-Zélande.

Peut-on exploiter la géothermie partout ?

Non. Les centrales à vapeur sèche et à cycle flash nécessitent des zones volcaniques, mais les centrales binaires et les EGS permettent d’exploiter des ressources dans des régions plus diversifiées.

Quels sont les coûts liés à une centrale géothermique ?

Les coûts varient selon la profondeur des forages et la technologie utilisée. Les forages profonds peuvent coûter plusieurs dizaines de millions d’euros. Cependant, les coûts opérationnels sont faibles une fois la centrale en place.

La géothermie est-elle respectueuse de l’environnement ?

Oui, comparée aux énergies fossiles, la géothermie produit peu d’émissions. Cependant, les projets EGS nécessitent une surveillance pour éviter les impacts sismiques.

Avec ses différentes technologies et son potentiel croissant, la géothermie s’affirme comme un pilier essentiel de la transition énergétique mondiale.