Fonctionnement des centrales électriques

Les impacts environnementaux potentiels liés à l’exploitation et à la maintenance des centrales géothermiques comprennent l’eau, l’air, les solides (métaux lourds et/ou autres contaminants), l’utilisation des sols, la circulation et le bruit. Examinons ces préoccupations au cours des prochaines pages thématiques.

Gestion de l’eau et des fluides

La gestion des fluides produits pendant l’exploitation d’une centrale géothermique dépend principalement du type de centrale considéré. Nous examinerons ici les systèmes hydrothermaux conventionnels et les systèmes géothermiques artificiels (EGS), qui sont tous deux ouverts au réservoir, et les systèmes géothermiques avancés/systèmes géothermiques en boucle fermée (AGS), qui sont fermés au réservoir.

Systèmes ouverts au réservoir

Les systèmes ouverts au réservoir sont ceux dans lesquels le fluide de travail entre en contact direct avec le réservoir souterrain, s’écoulant d’un puits d’injection à travers la roche jusqu’à un puits de production.¹

Bien que les cas de contamination des sols et des eaux de surface soient rares à proximité des installations géothermiques, certaines études ont montré qu’une mauvaise gestion de l’eau et des matériaux peut entraîner les deux.² D’autres ont décrit les voies de contamination des eaux souterraines à partir des systèmes en exploitation. Dans un cas, des chercheurs³ ont signalé que des fluides géothermiques chauds ont migré le long de failles géologiques et d’espaces ouverts dans des forages mal construits, contaminant des aquifères superficiels destinés à l’eau potable avec de la chaleur, de l’arsenic, de l’antimoine et du bore, rendant l’eau inutilisable pour la consommation ou l’irrigation. Des cas comme celui-ci soulignent l’importance d’une construction de puits appropriée et d’une gestion active des réactions géochimiques entre les fluides et les matériaux de construction des puits. La construction de puits de surveillance afin de détecter toute contamination potentielle des eaux souterraines à proximité de ces types de systèmes géothermiques constitue également une mesure prudente. ⁴

Les systèmes géothermiques artificiels interagissent avec le sous-sol bien en dessous des nappes phréatiques et des aquifères utilisés pour l’eau potable. Les systèmes hydrothermaux conventionnels sont soumis de protocoles rigoureux de gestion des ressources en eau, de sorte que le risque de contamination de l’eau et d’épuisement de l’eau de source est infondé ou inexistant. ⁵

Systèmes fermés au réservoir

Imaginez que vous aviez un puits d’injection et un puits de production, semblables à un SGA, mais au lieu de vous fier à un réseau de fractures dans le sous-sol pour relier les deux puits, vous les reliez simplement avec un tuyau. Le fluide de travail s’écoulerait vers le bas du puits d’injection, horizontalement à travers un segment latéral de tuyau, puis vers le haut à travers le puits de production. Puisqu’un tel système est fermé au sous-sol, il est appelé système en boucle fermée.⁶

Les fluides sont introduits dans le sous-sol par des forages d’injection verticaux, s’écoulent à travers des tuyaux de puits de différentes conceptions et sortent par des puits de production. Les systèmes géothermiques avancés (SGA) comme ceux-ci sont le plus souvent utilisés dans les systèmes géothermiques à utilisation directe peu profonds. Les conceptions des systèmes sont codifiées par les organismes de réglementation environnementale des États. Les fluides de travail sont non toxiques ou contiennent des additifs à faible toxicité pour améliorer la capacité thermique volumétrique du fluide (d’où l’efficacité du système). ⁷

Bien que des concepts comme ceux-ci présentent un certain nombre d’avantages, le système repose néanmoins sur une connexion efficace des tuyaux de forage dans le trou de forage, nécessitant des opérations à long terme sans détérioration des points de connexion qui pourraient être des sources de fuite de fluide de travail dans le réservoir. Des progrès dans les technologies et les méthodologies de complétion et de tubage pourraient être nécessaires pour garantir que ces systèmes fonctionnent en boucle fermée, sans fuite dans le réservoir environnant. Des études de surveillance donneraient confiance dans l’intégrité opérationnelle de cette technologie émergente. ⁸

Potentiel d’utilisation de l’eau produite

L’eau qui est coproduite avec le pétrole et le gaz est une source potentielle de fluides de travail pour la géothermie, en fonction de la composition chimique des fluides, des besoins et de l’accès à des sources alternatives. Les deux défis permanents lors de l’utilisation de l’eau produite pour la géothermie (ou toute autre utilisation bénéfique) sont (1) la variabilité de la qualité de l’eau produite, en particulier à des concentrations qui pourraient entraîner des problèmes tels que la corrosion, et (2) la disponibilité de quantités suffisantes d’eau là où et quand elles sont nécessaires. ⁹

Scanlon et al (2020a¹⁰, 2020b¹¹) ont évalué et comparé la quantité et la qualité de l’eau produite dans diverses régions pour les activités pétrolières et gazières, en tenant compte des différentes utilisations bénéfiques et des exigences de qualité (par exemple, lors de l’irrigation des cultures destinées à la consommation humaine). Ils ont constaté que les concentrations médianes variaient de 1 000 à 200 000 milligrammes par litre de solides dissous totaux (SDT) dans les différentes régions d’activité. Selon la la composition chimique des fluides nécessaire à la technologie géothermique en question, l’eau avec ce niveau de SDT peut ou non être appropriée sans traitement primaire ou secondaire pour éliminer les sels, stabiliser le pH, etc. Si un traitement est nécessaire, le volume d’eau produite disponible pourrait chuter de 50 pour cent, et le concentré nécessiterait toujours une gestion et une élimination appropriées. La décision d’utiliser l’eau produite pour un système géothermique doit donc être basée sur la disponibilité d’autres sources d’eau appropriées et sur l’analyse économique du traitement de l’eau sur site par rapport à l’achat d’eau de meilleure qualité ailleurs, ainsi que sur d’autres facteurs opérationnels. ¹²

Laquelle de ces propositions n’est pas une conséquence du traitement des eaux produites avant leur utilisation comme fluide de travail ?

Le volume d’eau produite disponible pourrait chuter de 50 %.

Faux

La rentabilité du traitement de l’eau sur place pourrait la rendre défavorable par rapport à l’achat d’eau de meilleure qualité ailleurs.

Faux

Le traitement de l’eau produite pour une application géothermique pourrait la rendre impropre à une source d’eau potable communautaire.

Vrai

Production de déchets solides et gestion des fluides

Deux méthodes de gestion des fluides peuvent être utilisées pour traiter les constituants dissous dans le fluide de travail retourné dans les systèmes géothermiques. L’une est un cristalliseur flash qui de manière permanente les constituants dissous en vue de leur élimination ultérieure, et l’autre est une modification du pH qui maintient les constituants en phases dissoutes pour la réinjection. Selon la concentration, la récupération des minéraux dans les géofluides retournés pourrait être économiquement favorable. ¹³¹⁴

Par exemple, l’orientation récente du pays vers la production d’électricité renouvelable à à partir de l’éolien et du solaire, ainsi que le besoin d’un stockage substantiel d’électricité dans les batteries, ont renforcé l’urgence de trouver de sources durables d’éléments de terres rares (ETR) et de matériaux critiques pour la fabrication et le développement technologique. Les saumures géothermiques pourraient récupérer des minéraux tels que le lithium, le manganèse, le zinc, le potassium et le bore. ¹⁵

Transcription de la vidéo

Le noyau de la Terre atteint une température d’environ 6 000 °C, comparable à celle de la surface du Soleil. Le concept de forage pour exploiter une énergie géothermique ultra-chaude et très profonde est relativement simple : il s’agit d’appliquer les méthodologies et les techniques déjà utilisées dans l’industrie pétrolière et gazière afin d’atteindre des profondeurs bien plus importantes et des températures beaucoup plus élevées.
On parle de forages pouvant atteindre 30 000 pieds (9 km) et des températures avoisinant 350 °C. À ces profondeurs, nous concevons des réservoirs de type échangeur de chaleur au sein de la roche chaude afin de produire de l’énergie.

Actuellement, les États-Unis doivent importer du lithium transformé pour répondre à la demande liée au stockage d’énergie, et la plupart du lithium est extrait de rivaux géopolitiques ou de pays dotés de gouvernements autoritaires. Des recherches mettant en évidence la coïncidence entre la présence d’éléments de terres rares (ETR) et des sites favorables à la géothermie ont été signalée depuis un certain temps et nous pouvons nous attendre à ce que ces activités se poursuivent, en particulier dans les technologies géothermiques dans lesquelles les fluides entrent en contact direct avec la roche hôte. ¹⁶

L’extraction du lithium de la saumure géothermique en est encore à ses débuts. La plupart des efforts utilisent une sorte de méthode de séparation chimique, pour cibler la séparation du chlorure de lithium, en le purifiant pour produire de l’hydroxyde de lithium, qui est ensuite utilisé dans les batteries. De nombreuses sociétés pétrolières et gazières, sociétés géothermiques et sociétés minières évaluent la production de lithium à partir de leurs actifs, soit en tant que sous-produit, soit en tant que produit principal. ¹⁷

Quels minéraux critiques ne sont pas intéressants à extraire des saumures géothermiques (fluides) ?

Le Diamant

Vrai

Le Lithium

Faux

Le Manganèse

Faux

Le Potassium

Faux

Le Zinc

Faux

Émissions de surface et surveillance

En ce qui concerne toute conception géothermique ouverte au réservoir, les émissions atmosphériques potentielles, en particulier des centrales à détente ou à vapeur sèche, y compris la chaleur résiduelle par la vapeur, et les gaz non condensables (GNC) tels que H2S, CO2 et le méthane ont été notés¹⁹. La chaleur résiduelle, par exemple, pourrait poser problème pour le biote ou les résidents environnants, et le rejet de GNC pourrait, bien sûr, compenser la valeur du remplacement des centrales électriques à combustibles fossiles par la géothermie. ²⁰

Dans les États où le développement de systèmes géothermiques fermés au réservoir domine, par opposition aux systèmes hydrothermaux conventionnels, les préoccupations décrites ci-dessus peuvent être considérablement atténuées, voire éliminées. Les systèmes fermés au réservoir, tels que les SGA, séparent les fluides de formation et les fluides de travail. Ces systèmes sont conçus pour produire uniquement de la chaleur, sans produire de contaminants et de gaz indésirables du sous-sol. Les émissions pendant les opérations devraient donc être réduites au minimum, voire éliminées complètement. ²¹

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Source d’image :

FOGIT de fracturation hydraulique SGA traditionnelle: L’avenir de la géothermie au Texas
FOGIT de puits doublet SGA: L’avenir de la géothermie au Texas
Projet Hell’s Kitchen Lithium and Power de Controlled Thermal Resources: CTR (projet du département de l’Énergie des États-Unis)