FR3009613A1 - Systeme de production d'energie electrique au moyen de doublet geothermique - Google Patents

Abstract

Système de production d'énergie électrique comprenant : - un géodoublet thermique comportant un premier géostock thermique et un second géostock thermique, les géostocks thermiques étant issus d'une technique de stockage thermique diffusif dans un massif rocheux ; - des échangeurs thermiques implantés dans chacun des deux géostocks thermiques; - un moyen permettant de faire circuler un fluide caloporteur, tel que du CO2, entre des échangeurs thermiques d'un géostock thermique à un autre ; - un moyen de transformation de l'énergie thermique du fluide caloporteur en énergie électrique, tel qu'une turbine de type ORC.

Description

-1- La présente invention concerne le domaine de la production d'électricité. En particulier, l'invention concerne un système et un procédé pour produire de l'électricité à partir d'un géostockage thermique. Pour trouver une alternative aux hydrocarbures en tant que source d'énergie, les 5 systèmes géothermiques représentent une source d'énergie attractive. La géothermie permet en effet de fournir de l'énergie électrique grâce à l'exploitation d'une différence de température se produisant naturellement. Cette différence de température est généralement comprise entre un point d'origine naturelle chaud bien en dessous de la surface de la terre, et de la température ambiante à l'emplacement du système de 10 géothermie. Les systèmes géothermiques conventionnels utilisent généralement une turbine à gaz pour entrainer un générateur électrique. Le générateur électrique, en réponse, fournit une énergie électrique. On connaît également du document US2009217664 un autre système pour générer de l'énergie électrique en utilisant une différence de température se produisant 15 naturellement : le système fournit de l'énergie électrique en exploitant un différentiel de température entre une source de chaleur géothermique et une couche d'eau profonde et froide. L'élément thermoélectrique génère de l'énergie électrique sur la base de la différence de température entre ces deux surfaces. L'inconvénient de ces systèmes est qu'ils nécessitent des sources naturelles. Or, il 20 n'est pas toujours possible d'exploiter le gradient thermique du sous-sol et/ou la température des océans pour obtenir un rendement de production d'électricité suffisant. De plus, le coût d'un forage géothermique est relativement élevé du fait de la profondeur de forage pour obtenir une température suffisamment élevée. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant au système un 25 doublet thermique qui ne soit pas d'origine naturelle. Ainsi, un premier objet de l'invention concerne un système de production d'énergie électrique comprenant : un géodoublet thermique comportant un premier géostock thermique et un second géostock thermique, lesdits géostocks thermiques étant issus d'une 30 technique de stockage thermique diffusif dans un massif rocheux ; des échangeurs thermiques implantés dans chacun desdits géostocks thermiques; un moyen permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre des échangeurs thermiques d'un géostock thermique à un autre ; 35 un moyen de transformation de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique. -2- De ce fait, le système peut être implanté dans de nombreuses zones non accessibles aux techniques antérieures, et la température du doublet géothermique étant contrôlée, le rendement est parfaitement maitrisé. Selon un mode de réalisation, au moins un géostock thermique est un volume 5 cylindrique englobant une masse rocheuse en place dans ledit massif. De façon avantageuse, le rayon dudit volume cylindrique est égal à la hauteur dudit volume cylindrique. Selon l'invention, le moyen de transformation de l'énergie thermique peut être une turbine ORC. 10 Selon un mode de réalisation, le fluide caloporteur est du CO2 dans un état liquide, gazeux ou supercritique. Une différence de température dudit géodoublet thermique peut être alors choisie pour assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et pour assurer que le CO2 ait une température inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock 15 thermique. Selon l'invention, la température du premier géostock thermique est proche de - 55°C, et la température du second géostock thermique est proche de 95°C. Selon un autre mode de réalisation, le système comporte une pompe à chaleur adaptée à régénérer la différence de température dudit géodoublet thermique. 20 Chaque géostock thermique peut posséder un moyen d'isolation thermique de sa face supérieure. Selon un mode de réalisation, les échangeurs thermiques sont des cuves cylindriques de hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un géostock thermique et sont implantés verticalement avec une densité d'environ un échangeur par m2. Les 25 échangeurs thermiques peuvent alors être des cuves cylindriques de 40 cm de diamètre et de 15m de hauteur. Enfin, la surface inférieure desdits géostocks thermiques peut être à une profondeur inférieure ou égale à 15m. Un second objet de l'invention concerne un procédé de production d'énergie 30 électrique dans lequel on réalise les étapes suivantes : on constitue un géodoublet thermique dans un massif rocheux hors d'eau, au moyen d'une technique de stockage thermique diffusif dans ledit massif ; on fait circuler un fluide caloporteur entre un premier géostock thermique dudit géodoublet et un second géostock thermique dudit géodoublet ; 35 on transforme l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique lors de son transport d'un géostock thermique à un autre. -3- Selon l'invention, on peut déterminer la différence de température du géodoublet thermique de façon à assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et de façon à assurer que le CO2 ait une température inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock thermique. Selon l'invention, on peut minimiser les pertes thermiques des géostocks thermiques du géodoublet, en isolant thermiquement sa face supérieure et en utilisant un géostock thermique de volume cylindrique dont le rayon est égal à la hauteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies 10 à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : La figure 1 illustre un schéma du système de production d'électricité par géodoublet thermique, selon l'invention. La figure 2 illustre plus en détail un géostock thermique. La figure 3 représente un moyen de transformation de l'énergie thermique 15 du fluide caloporteur. La figure 4 représente un organigramme du procédé selon l'invention. On se réfère maintenant à la figure 1 qui décrit schématiquement le système de production d'énergie électrique selon l'invention. Ce système comprend : un géodoublet thermique comportant un premier géostock thermique (GT1) et un 20 second géostock thermique (GT2). Ces géostocks thermiques sont issus d'une technique de stockage thermique diffusif dans un massif rocheux. des échangeurs thermiques (ET) implantés dans chacun des géostocks thermiques (un seul échangeur par géostock est représenté sur la figure 1) ; un moyen (CIR) permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre des 25 échangeurs thermiques d'un géostock thermique à un autre ; et un moyen de transformation (TRANS) de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique (ELEC). Les géostocks thermiques (GT1, et GT2) 30 Un géostock est une partie d'une masse rocheuse en place, appartenant au massif rocheux (MR) hors d'eau dans lequel on met en place le géodoublet thermique. Il peut s'agir par exemple d'une masse de granite. Dans le cadre de la présente invention, le terme « hors d'eau » fait référence au fait que la masse rocheuse constituant les géostocks thermiques n'est pas au contact avec 35 une nappe aquifère. Ils sont obtenus à partir d'une technique de stockage thermique diffusif. Une telle technique est décrite par exemple dans le document suivant : -4- T. Schmidt, O. Miedaner, septembre 2011, « Solar district heating Fact sheet 7.2-1 », p. 1-12 La technique de stockage thermique diffusif utilise des échangeurs géothermiques verticaux implantés dans un massif rocheux. Ils sont généralement implantés selon un maillage serré régulier et à relative faible profondeur (15m environ). Cette technique offre une forte capacité de stockage thermique. De plus, les sites de stockages sont facilement disponibles. Enfin, cette technique est robuste et son coût est faible par MWh thermique stocké. De part ce procédé, les géostocks constituent l'encaissant des échangeurs thermiques verticaux (ET) mis en oeuvre pour injecter ou soutirer la chaleur dans le massif rocheux. De ce fait, les géostock ont une forme sensiblement cylindrique due au rayonnement radial (RR sur la figure 2) de la chaleur à partir des échangeurs thermiques verticaux (l'ensemble de ces derniers ayant une forme également sensiblement cylindrique). Ainsi, un géostock thermique est un volume cylindrique de masse rocheuse en place dans le massif rocheux. Ceci est illustré sur la figure 2. De façon préférentielle, le rayon (R) du volume cylindrique est égal à la hauteur (H) de ce volume cylindrique (voir figure 2). Cette géométrie optimale minimise les pertes thermiques par diffusion, en minimisant la surface extérieure du géostock. Selon un mode de réalisation, chaque géostock est positionné en surface (SUR). 20 Cette face est avantageusement couverte par un moyen d'isolation thermique (IT), tel qu'une couche d'isolant thermique. La face inférieure est préférentiellement positionnée à une profondeur inférieure ou égale à 15m. Enfin, chacun des deux géostocks (cylindres verticaux) a une hauteur sensiblement 25 égale à 15 m (pour des raisons de précision du forage, pour assurer des échangeurs verticaux ajustés dans le trou de forage) et un diamètre sensiblement égal à 30 m. De façon avantageuse, le système selon l'invention est également équipé d'une pompe à chaleur (PAC) adaptée à régénérer la différence de température du géodoublet thermique, en situation de puissance électrique excédentaire. 30 Les échangeurs thermiques (ET) Le transfert thermique diffusif avec le massif rocheux encaissant est réalisé par des échangeurs thermiques implantés verticalement, avec une densité approximative d'un échangeur par m2. Les échangeurs sont positionnés dans des forages exécutés suivant 35 les techniques classiques de forage vertical d'ouvrages superficiels. Les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un géostock thermique, dans laquelle circule le fluide -5- caloporteur qui échange sa chaleur avec le massif encaissant par conduction thermique à travers la paroi de l'échangeur. Par exemple, les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de 40 cm de diamètre et de 15m de hauteur dans le cas d'un géostock de 15m de hauteur.

L'échangeur en cuve permet d'améliorer la cinétique du transfert thermique entre le fluide caloporteur et le massif. De préférence, un produit de colmatage entre l'échangeur et l'encaissant rocheux, tel qu'un matériau argileux, de l'oxyde d'aluminium, ou du carbure de silicium, est utilisé pour sceller l'échangeur dans l'encaissant rocheux et garantir un couplage thermique 10 adéquat entre l'échangeur géothermique et le massif rocheux. Le moyen (CIR) permettant de faire circuler un fluide caloporteur Ce moyen peut être une conduite de type connu des spécialistes, et formant un circuit. 15 Le fluide caloporteur est préférentiellement du CO2 dans un état liquide, gazeux ou supercritique. La pression du CO2 et la différence de température du géodoublet thermique sont choisies pour assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et pour assurer que le CO2 ait une température 20 inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock thermique (002 à l'état gazeux ou supercritique pour le géostock chaud). Ainsi, pour une pression de CO2 pouvant atteindre 80 à 100 bars, on peut par exemple mettre en place un premier géostock thermique dont la température est proche de -55°C (point triple à -56,6°C), et un second géostock thermique dont la 25 température est proche de 95°C. On peut envisager des températures supérieures à 95°C, en prenant en compte les impacts physico-chimiques dans le massif encaissant. Le moyen de transformation (TRANS) de l'énergie thermique en énergie électrique Le moyen de transformation est avantageusement basé sur un cycle 30 thermodynamique de Rankine ou sur un cycle basé sur celui de Rankine. Ainsi, selon un mode de réalisation, on utilise un cycle organique de Rankine (ORC) qui fonctionne avec un fluide organique à grande masse molaire plutôt que de l'eau. Le moyen de transformation de l'énergie thermique est alors une turbine dite « turbine ORC ». 35 Un tel moyen est schématisé sur la figure 3 où les sources chaude (SC) et froide (SF) nécessaire au cycle de Rankine (RANK) sont représentées. On comprend ainsi que l'énergie thermique véhiculée du géostock froid (-55°C) vers le moyen de -6- transformation (TRANS) constitue la source froide du cycle thermodynamique de Rankine, alors que l'énergie thermique véhiculée du géostock chaud (+95°C) vers le moyen de transformation (TRANS) en constitue la source chaude.

Le procédé selon l'invention (figure 4) L'invention concerne également un procédé de production d'énergie électrique, dans lequel on réalise les étapes suivantes (figure 4) : on constitue un géodoublet thermique (GEODT) dans un massif rocheux hors d'eau, au moyen d'une technique de stockage thermique diffusif (STD) dans ledit massif ; on fait circuler (CIRC) un fluide caloporteur entre un premier géostock thermique dudit géodoublet et un second géostock thermique dudit géodoublet ; on transforme (TRANSF) l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique lors de son transport d'un géostock thermique à un autre.

De façon préférentielle, on détermine (DET) la différence de température du géodoublet thermique de façon à assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et de façon à assurer que le CO2 ait une température inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock thermique. Selon un mode de réalisation, on minimise les pertes thermiques des géostocks thermiques du géodoublet, en isolant (ISOL) thermiquement sa face supérieure et en utilisant des géostocks thermiques de volume cylindrique dont le rayon est égal à la hauteur.

Application Pour le fonctionnement du stock chaud du géodoublet, pour les températures de travail envisagées par le concept de stockage d'électricité par géodoublet thermique/ CO2 caloporteur mais avec l'eau surpressée comme caloporteur au lieu de CO2 (du point de vue thermique diffusif dans le massif rocheux encaissant, la situation est absolument symétrique par rapport à 20°C pour le stock froid), on évalue à 10 MW la puissance moyenne d'échange et à 700MWh la capacité de stockage utile pour 60°C de différence minimale entre source froide et source chaude, cela dans le cas d'un géodoublet thermique dont les deux éléments constitutifs stock chaud et stock froid sont des cylindres de 15m de rayon et 15m de hauteur implantés dans un massif de granite encaissant, et comportant chacun 781 échangeurs géothermiques interdistants de 1m. Le rendement de géostockage thermique en régime continu stabilisé s'établit dans ces conditions à 91%. -7-

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Système de production d'énergie électrique comprenant : un géodoublet thermique comportant un premier géostock thermique et un second géostock thermique, lesdits géostocks thermiques étant issus d'une technique de stockage thermique diffusif dans un massif rocheux ; des échangeurs thermiques implantés dans chacun desdits géostocks thermiques; - un moyen permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre des échangeurs thermiques d'un géostock thermique à un autre ; - un moyen de transformation de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique.
2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel au moins un géostock thermique est un volume cylindrique englobant une masse rocheuse en place dans ledit massif.
3. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le rayon dudit volume cylindrique est égal à la hauteur dudit volume cylindrique.
4. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de transformation de l'énergie thermique est une turbine ORC.
5. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fluide caloporteur est du CO2 dans un état liquide, gazeux ou supercritique.
6. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel une différence de température dudit géodoublet thermique est choisie pour assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et pour assurer que le CO2 ait une température inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock thermique.
7. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la température du premier géostock thermique est proche de -55°C, et la température du second géostock thermique est proche de 95°C.
8. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système comporte une pompe à chaleur adaptée à régénérer la différence de température dudit géodoublet thermique.
9. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque géostock thermique possède un moyen d'isolation thermique de sa face supérieure.
10. 10. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits échangeurs thermiques sont des cuves cylindriques de hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un géostock thermique et sont implantés verticalement avec-9- une densité d'environ un échangeur par m2.
11. 11. Système selon la revendication 10, dans lequel lesdits échangeurs thermiques sont des cuves cylindriques de 40 cm de diamètre et de 15m de hauteur.
12. 12. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface inférieure desdits géostocks thermiques est à une profondeur inférieure ou égale à 15m.
13. 13. Procédé de production d'énergie électrique, dans lequel on réalise les étapes suivantes : on constitue un géodoublet thermique dans un massif rocheux hors d'eau, au moyen d'une technique de stockage thermique diffusif dans ledit massif ; on fait circuler un fluide caloporteur entre un premier géostock thermique dudit géodoublet et un second géostock thermique dudit géodoublet ; on transforme l'énergie thermique dudit fluide caloporteur en énergie électrique lors de son transport d'un géostock thermique à un autre.
14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on détermine la différence de température dudit géodoublet thermique de façon à assurer que le CO2 soit en phase liquide dans le premier géostock thermique de plus faible température, et de façon à assurer que le CO2 ait une température inférieure à la température d'ébullition de l'eau dans le second géostock thermique.
15. 15. Procédé selon l'une des revendications 13 à 14, dans lequel on minimise les pertes thermiques des géostocks thermiques dudit géodoublet, en isolant thermiquement sa face supérieure et en utilisant un géostock thermique de volume cylindrique dont le rayon est égal à la hauteur.25