Projet de conception : Estimation de la puissance électrique d’une centrale géothermique

Dans cet exercice, vous travaillerez sur un projet de conception et évaluerez un scénario réel où l’énergie géothermique est convertie en énergie électrique. À la fin de l’exercice, vous calculerez la puissance électrique d’une centrale géothermique proposée et le nombre de foyers qui pourraient être alimentés par cette centrale pendant les pics de demande au Texas.

La centrale géothermique de surface est une centrale à cycle binaire.

Chiffres d’ERCOT :

L’Electric Reliability Council of Texas, l’entité chargée de gérer le flux d’approvisionnement énergétique du Texas, fournit les chiffres suivants :

• 1 MW d’électricité peut alimenter environ 200 foyers texans pendant les périodes de forte demande.¹Minton, Lisa, (2020, August). Texas’ Electricity Resources. https://comptroller.texas.gov/economy/fiscal-notes/2020/august/ercot.php

Informations et outils pour le projet de conception

Vous utiliserez une feuille de calcul disponible sous forme de feuille Google.

Cette feuille de calcul aura trois onglets différents (situés au bas de la feuille de calcul) :

• Feuille de calcul
  pour fournir un résumé de votre projet de conception
• Tableau des propriétés de l’eau
  pour calculer l’énergie thermique fournie par le fluide de travail (eau)
• Graphique d’estimation de l’efficacité
  pour estimer l’efficacité de la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique pour la centrale

Feuille de calcul

• Vous devrez fournir des valeurs pour plusieurs cellules de la feuille de calcul.
• Certaines valeurs proviendront du tableau des propriétés de l’eau ou du graphique d’estimation de l’efficacité.
• D’autres valeurs correspondront aux résultats de calculs déjà configurés pour certaines cellules de la feuille de calcul.

Mesures du réservoir géothermique et du puits

Considérons une ressource géothermique dont la température du réservoir souterrain est de 160 °C. Des puits sont forés et la saumure géothermique (considérée comme de l’eau dans cet exercice) s’écoule à un débit de 10 000 litres/heure du réservoir vers la surface. On estime que le fluide se refroidit de 10 degrés lorsqu’il arrive à l’installation de surface. Ces mesures peuvent être résumées ci-dessous :

Mesures des entrées

Température du réservoir souterrain :

\[T_{\text{ressource géothermique}} = 160\ \text{°C}\]

Chute de température à la surface :

\[\Delta T_{\text{chute}} = 10\ \text{°C}\]

Débit volumétrique :

\[Q = F_{\text{puits}} = 10\,000\ \frac{\text{L}}{\text{heure}}\]

Passons en revue l’exercice

1) Ouvrez le fichier Google Sheets .

2) Allez dans l’onglet la feuille de calcul  (premier onglet) et saisissez les paramètres d’entrée donnés ci-dessus dans les cases appropriées de la colonne Valeur.

3) On nous a donné les mesures du débit dans le volume d’écoulement de fluide par temps (10 000 L/h). Pour notre projet, nous devons calculer le débit en unités de masse d’écoulement de fluide par temps (en kg/s).

Pour effectuer cette conversion du débit volumétrique au débit massique, il faut d’abord connaître la densité de l’eau (ρ) à la température donnée.

\[\text{densité}=\frac{\text{masse}}{\text{volume}}\]

Connaissant la densité de l’eau, on peut convertir le débit exprimé en volume/temps en un débit exprimé en masse/temps. Après avoir trouvé la densité de l’eau, il faut convertir les unités en kg/s pour obtenir le débit massique d’injection. Vous pouvez le faire soit par analyse dimensionnelle, soit en utilisant la déjà incluse dans la feuille de calcul.

Essayez de résoudre le problème à l’aide de l’analyse dimensionnelle. Cliquez sur la flèche de l’accordéon pour voir la réponse une fois que vous avez terminé votre travail.

Pour trouver la densité de l’eau, clique sur l’onglet du tableau des propriétés de l’eau et choisis la densité qui est la plus proche de la température d’entrée (gardez à l’esprit que le fluide refroidit au moment où il atteint la surface). (Supposons que l’eau est à l’état liquide – aucune phase vapeur présente.) Saisissez la densité dans la cellule de valeur de la densité de l’eau. Une fois la densité entrée, la cellule Débit d’injection – Masse se mettra à jour et la valeur sera affichée en kg/s.

4) Ensuite, nous devons trouver quel pourcentage d’énergie thermique peut être converti en énergie électrique pour ce projet. Allez au troisième onglet de la feuille de calcul, Graphiques d’estimation de l’efficacité, pour obtenir une estimation raisonnable de l’efficacité de conversion.

Astuce : utilisez les lignes pointillées orange pour choisir une efficacité élevée, moyenne ou faible à la température d’intérêt. Observez comment ce choix modifie les résultats.

Entrez la valeur de l’efficacité de la conversion dans la cellule de valeur pour l’efficacité de la centrale géothermique, située dans l’onglet la feuille de calcul.

5) Trouvez l’enthalpie spécifique de l’eau à la température de surface à partir du tableau des propriétés de l’eau (deuxième onglet). Cette valeur correspond à l’énergie transportée par l’eau par unité de masse. (Supposons que l’eau est à l’état liquide – aucune phase vapeur présente.) Saisissez cette valeur dans la cellule d’enthalpie.

6) Selon ERCOT, 1 MW d’électricité peut alimenter environ 200 foyers texans pendant les périodes de forte demande. La puissance électrique prévue de la centrale est automatiquement calculée et affichée (en MW) et le nombre de foyers alimentés est également calculé et affiché.

Combien de foyers cette centrale à cycle binaire peut-elle alimenter en électricité pendant les périodes de forte demande ?

Félicitations !

En utilisant un ensemble simple de calculs, tu as pu estimer le potentiel d’une ressource/centrale géothermique pour alimenter les foyers au Texas en période de forte demande.