Température des eaux souterraines en fonction de la profondeur. Dix mythes sur les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques

23.09.2019

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Imaginez une maison toujours entretenue température confortable, mais les systèmes de chauffage et de refroidissement ne sont pas visibles. Ce système fonctionne efficacement, mais ne nécessite pas de maintenance complexe ni de connaissances particulières de la part des propriétaires.

L'air est frais, on entend les oiseaux gazouiller et le vent jouer paresseusement avec les feuilles des arbres. La maison reçoit l’énergie de la terre, tout comme les feuilles reçoivent l’énergie des racines. Une magnifique image, n'est-ce pas ?

Les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques font de cette vision une réalité. Un système géothermique CVC (chauffage, ventilation et climatisation) utilise la température du sol pour fournir du chauffage en hiver et du refroidissement en été.

Comment fonctionnent le chauffage et la climatisation géothermiques

Température environnement change avec les saisons, mais la température souterraine ne change pas de manière aussi significative en raison des propriétés isolantes de la terre. À une profondeur de 1,5 à 2 mètres, la température reste relativement constante toute l'année. Un système géothermique se compose généralement d'équipements de traitement internes, système souterrain des tuyaux, appelés boucle souterraine, et/ou une pompe pour faire circuler l'eau. Le système utilise la température constante de la terre pour fournir une énergie « propre et gratuite ».

(Ne confondez pas le concept de système géothermique NVC avec « l'énergie géothermique » - un processus dans lequel l'électricité est produite directement à partir de températures élevées dans le sol. Ce dernier utilise un type d'équipement différent et des processus différents, dont le but est généralement pour chauffer l'eau jusqu'au point d'ébullition.)

Les canalisations qui composent la boucle souterraine sont généralement en polyéthylène et peuvent être installées horizontalement ou verticalement sous terre, selon le terrain. Si un aquifère est accessible, les ingénieurs peuvent concevoir un système « en boucle ouverte » en forant un puits jusqu'à la nappe phréatique. L’eau est pompée, passée dans un échangeur de chaleur, puis réinjectée dans le même aquifère par « réinjection ».

En hiver, l’eau qui traverse une boucle souterraine absorbe la chaleur de la terre. Les équipements internes augmentent encore la température et la répartissent dans tout le bâtiment. C'est comme un climatiseur fonctionnant à l'envers. Pendant l'été, un système CVC géothermique extrait l'eau à haute température du bâtiment et la transporte à travers une boucle/pompe souterraine jusqu'à un puits de réinjection, où l'eau s'écoule dans le sol/aquifère plus frais.

Contrairement aux systèmes de chauffage et de refroidissement conventionnels, les systèmes CVC géothermiques n'utilisent pas de combustibles fossiles pour générer de la chaleur. Ils captent simplement la chaleur du sol. En règle générale, l’électricité est utilisée uniquement pour faire fonctionner le ventilateur, le compresseur et la pompe.

Il y a trois composants principaux dans un système de refroidissement et de chauffage géothermique : la pompe à chaleur, milieu liquideéchange de chaleur (système ouvert ou fermé) et système d'alimentation en air (système de canalisations).

Pour les pompes à chaleur géothermiques, ainsi que pour tous les autres types de pompes à chaleur, le rapport de leur action utileà l'énergie dépensée pour cette action (efficacité). La plupart des systèmes de pompes à chaleur géothermiques ont un rendement de 3,0 à 5,0. Cela signifie que le système convertit une unité d'énergie en 3 à 5 unités de chaleur.

Les systèmes géothermiques ne nécessitent pas beaucoup d’entretien. Correctement installée, ce qui est très important, une boucle souterraine peut bien servir pendant plusieurs générations. Le ventilateur, le compresseur et la pompe sont situés à l'intérieur et protégés des variations conditions météorologiques Ainsi, leur durée de vie peut durer plusieurs années, souvent des décennies. Des contrôles périodiques de routine, le remplacement rapide du filtre et le nettoyage annuel du serpentin sont le seul entretien requis.

Expérience dans l'utilisation de systèmes géothermiques NVC

Les systèmes géothermiques NVC sont utilisés depuis plus de 60 ans partout dans le monde. Ils travaillent avec la nature, pas contre elle, et n'émettent pas de gaz à effet de serre (comme indiqué précédemment, ils consomment moins d'électricité car ils profitent de la température constante de la terre).

Les systèmes CVC géothermiques deviennent de plus en plus des attributs des maisons écologiques, dans le cadre du mouvement croissant de construction écologique. Les projets verts représentaient 20 pour cent de toutes les maisons construites aux États-Unis l’année dernière. Un article du Wall Street Journal estime que d’ici 2016, le budget des bâtiments écologiques passera de 36 milliards de dollars par an à 114 milliards de dollars. Cela représentera 30 à 40 pour cent de l’ensemble du marché immobilier.

Mais la plupart des informations sur le chauffage et le refroidissement géothermiques sont basées sur des données obsolètes ou des mythes non fondés.

Briser les mythes sur les systèmes géothermiques NVC

1. Les systèmes géothermiques NVC ne sont pas une technologie renouvelable car ils utilisent de l’électricité.

Fait : Les systèmes CVC géothermiques utilisent une seule unité d’électricité pour produire jusqu’à cinq unités de refroidissement ou de chauffage.

2. Énergie solaire et l'énergie éolienne sont des technologies renouvelables plus favorables que les systèmes géothermiques NVC.

Fait : Les systèmes CVC géothermiques pour un dollar génèrent quatre fois plus de kilowattheures que l'énergie solaire ou éolienne n'en produit pour le même dollar. Ces technologies peuvent bien entendu jouer un rôle environnemental important, mais un système géothermique NVC constitue souvent le moyen le plus efficace et le plus rentable de réduire l’impact environnemental.

3. Un système géothermique NVC nécessite beaucoup d’espace pour accueillir les tuyaux souterrains en polyéthylène en boucle.

Fait : Selon le terrain, la boucle souterraine peut être verticale, ce qui nécessite peu de surface. S’il existe un aquifère accessible, seulement quelques pieds carrés de surface sont nécessaires. A noter que l'eau retourne vers le même aquifère d'où elle a été prélevée après avoir traversé l'échangeur de chaleur. Ainsi, l’eau ne s’écoule pas et ne pollue pas la nappe aquifère.

4. Les pompes à chaleur géothermiques NVK sont bruyantes.

Fait : Les systèmes sont très silencieux et il n'y a aucun équipement à l'extérieur pour ne pas déranger les voisins.

5. Les systèmes géothermiques finissent par s’user.

Fait : Les boucles souterraines peuvent durer des générations. Les équipements d’échange de chaleur durent généralement des décennies car ils sont protégés à l’intérieur. Lorsque vient le temps du remplacement nécessaire de l'équipement, le coût d'un tel remplacement est bien inférieur à celui du neuf. système géothermique, puisque la boucle souterraine et le puits sont les parties les plus coûteuses. Nouveau solutions techniqueséliminer le problème de rétention de chaleur dans le sol, de sorte que le système puisse échanger des températures dans quantité illimitée. Il y a eu des cas dans le passé de systèmes mal conçus qui ont en fait surchauffé ou sous-refroidi le sol au point qu'il n'y avait plus la différence de température nécessaire au fonctionnement du système.

6. Les systèmes géothermiques NVC fonctionnent uniquement pour le chauffage.

Fait : Ils fonctionnent tout aussi efficacement pour le refroidissement et peuvent être conçus de manière à ce qu’aucun refroidissement supplémentaire ne soit nécessaire. source de sauvegarde chaleur. Bien que certains clients décident qu'il est plus économique d'avoir un petit système de sauvegarde pour les périodes les plus froides. Cela signifie que leur boucle souterraine sera plus petite et donc moins chère.

7. Les systèmes CVC géothermiques ne peuvent pas simultanément chauffer l’eau à des fins domestiques, chauffer l’eau de la piscine et chauffer la maison.

Fait : Les systèmes peuvent être conçus pour exécuter plusieurs fonctions simultanément.

8. Les systèmes géothermiques NVC polluent la terre avec des réfrigérants.

Fait : La plupart des systèmes utilisent uniquement de l’eau dans les boucles.

9. Les systèmes géothermiques NVC consomment beaucoup d’eau.

Fait : Les systèmes géothermiques n’utilisent en réalité aucune eau. Si les eaux souterraines sont utilisées pour échanger la température, alors toute l’eau retourne dans le même aquifère. Il y avait en effet certains systèmes utilisés dans le passé qui gaspillaient l'eau après son passage dans l'échangeur thermique, mais de tels systèmes sont rarement utilisés aujourd'hui. Si l’on considère la question d’un point de vue commercial, les systèmes géothermiques NVC permettent d’économiser des millions de litres d’eau qui s’évaporeraient dans les systèmes traditionnels.

10. La technologie géothermique NVC n’est pas financièrement réalisable sans incitations fiscales nationales et régionales.

Fait : Les incitations nationales et régionales représentent généralement 30 à 60 pour cent du coût total d'un système géothermique, ce qui peut souvent ramener le prix initial presque au même niveau que celui d'un équipement conventionnel. Standard systèmes pneumatiques Les systèmes CVC coûtent environ 3 000 dollars par tonne de chaleur ou de froid (les maisons en utilisent généralement entre une et cinq tonnes). Le prix des systèmes géothermiques NVC varie d'environ 5 000 $ la tonne à 8 000 à 9 000 $. Cependant, les nouvelles méthodes d’installation réduisent considérablement les coûts, jusqu’aux prix des systèmes conventionnels.

Des réductions de coûts peuvent également être obtenues grâce à des réductions sur des équipements à usage public ou commercial, voire à des commandes importantes à caractère résidentiel (notamment auprès de grandes marques telles que Bosch, Carrier et Trane). Les boucles ouvertes, utilisant une pompe et un puits de réinjection, sont moins coûteuses à installer que les systèmes en boucle fermée.

Basé sur des documents provenant de : energyblog.nationalgeographic.com

La température du sol change continuellement avec la profondeur et le temps. Cela dépend d’un certain nombre de facteurs, dont beaucoup sont difficiles à expliquer. Ces dernières comprennent par exemple : la nature de la végétation, l'exposition du versant aux points cardinaux, l'ombrage, l'enneigement, la nature des sols eux-mêmes, la présence d'eaux supra-permafrost, etc. Cependant, la température du sol , tant en valeur qu'en nature de distribution, reste assez constant d'année en année, et l'influence décisive reste ici la température de l'air.

Température du sol à différentes profondeurs et à différentes périodes de l'année peuvent être obtenues par des mesures directes dans des puits thermiques installés pendant le processus d'enquête. Mais cette méthode nécessite des observations à long terme et des dépenses importantes, ce qui n'est pas toujours justifié. Les données obtenues à partir d'un ou deux puits sont réparties sur de grandes zones et sur de grandes longueurs, déformant considérablement la réalité, de sorte que les données calculées sur la température du sol s'avèrent dans de nombreux cas plus fiables.

Température du sol du pergélisolà n'importe quelle profondeur (jusqu'à 10 m de la surface) et pour n'importe quelle période de l'année peut être déterminé par la formule :

tr = mt°, (3.7)

où z est la profondeur mesurée à partir du VGM, m ;

tr – température du sol à la profondeur z, en degrés.

τr– temps égal à un an(8760 heures);

τ - temps compté (jusqu'au 1er janvier) à partir du moment du début du gel automnal du sol jusqu'au moment pour lequel la température est mesurée, en heures ;

exp x – exposant (la fonction exponentielle exp est extraite des tableaux) ;

m – coefficient dépendant de la période de l'année (pour la période octobre - mai m = 1,5-0,05z, et pour la période Juin - Septembre m = 1)

Le plus basse températureà une profondeur donnée sera lorsque le cosinus dans la formule (3.7) devient égal à -1, c'est-à-dire la température minimale du sol pour l'année à une profondeur donnée sera

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

La température maximale du sol à la profondeur z sera lorsque le cosinus prendra une valeur égale à un, c'est-à-dire

tr max = t°, (3.9)

Dans les trois formules, la valeur de la capacité thermique volumétrique C m doit être calculée pour la température du sol t° à l'aide de la formule (3.10).

C 1 m = 1/W, (3.10)

Température du sol dans la couche de dégel saisonnière peut également être déterminé par calcul, en tenant compte du fait que le changement de température dans cette couche est assez précisément approximé par une dépendance linéaire aux gradients de température suivants (tableau 3.1).

Après avoir calculé à l'aide de l'une des formules (3.8) – (3.9) la température du sol au niveau VGM, soit en mettant Z=0 dans les formules, puis en utilisant le tableau 3.1, nous déterminons la température du sol à une profondeur donnée dans la couche de dégel saisonnière. Dans la plupart couches supérieures du sol, jusqu’à environ 1 m de la surface, la nature des fluctuations de température est très complexe.

Tableau 3.1

Gradient de température dans la couche de dégel saisonnière à une profondeur inférieure à 1 m de la surface du sol

Note. Le signe du gradient est indiqué en direction de la surface diurne.

Pour obtenir la température estimée du sol dans une couche métrique de la surface, vous pouvez procéder comme suit. Calculez la température à une profondeur de 1 m et la température de la surface diurne du sol, puis, par interpolation à partir de ces deux valeurs, déterminez la température à une profondeur donnée.

Température à la surface du sol t p in période froide l'année peut être prise égale à la température de l'air. DANS période estivale:

t p = 2+1,15 tc, (3.11)

où t p est la température de surface en degrés.

t in – température de l'air en degrés.

Température du sol dans la zone de pergélisol non fusionnante est calculé différemment qu’avec la fusion. En pratique, on peut supposer que la température au niveau VGM sera égale à 0°C tout au long de l'année. La température calculée du sol du pergélisol à une profondeur donnée peut être déterminée par interpolation, en supposant qu'elle évolue en profondeur selon une loi linéaire de la t° à une profondeur de 10 m à 0°C à la profondeur du VGM. La température dans la couche décongelée ht peut être comprise entre 0,5 et 1,5°C.

Dans la couche de gel saisonnière h p, la température du sol peut être calculée de la même manière que pour la couche de dégel saisonnière de la zone de pergélisol en fusion, c'est-à-dire dans la couche h p – 1 m le long du gradient de température (tableau 3.1), en considérant la température en profondeur h p égale à 0°C en saison froide et à 1°C en heure d'été. Dans la couche supérieure du sol, la température est déterminée par interpolation entre la température à une profondeur de 1 m et la température à la surface.

L’une des méthodes les meilleures et les plus rationnelles dans la construction de serres permanentes est une serre thermos souterraine.
L'utilisation de ce fait de la constance de la température terrestre en profondeur dans la construction d'une serre permet d'énormes économies sur les coûts de chauffage pendant la saison froide, facilite l'entretien et rend le microclimat plus stable..
Une telle serre fonctionne même dans les gelées les plus sévères, vous permettant de produire des légumes et de faire pousser des fleurs toute l'année.
Une serre enterrée bien équipée permet de cultiver, entre autres, des cultures méridionales thermophiles. Il n'y a pratiquement aucune restriction. Les agrumes et même les ananas peuvent prospérer dans une serre.
Mais pour que tout fonctionne correctement dans la pratique, il est impératif de suivre les technologies éprouvées utilisées pour construire des serres souterraines. Après tout, cette idée n’est pas nouvelle : même sous le tsar en Russie, des serres en contrebas produisaient des récoltes d’ananas, que des marchands entreprenants exportaient pour les vendre en Europe.
Pour une raison quelconque, la construction de telles serres n'a pas été trouvée dans notre pays répandu, Par dans l'ensemble, on l'oublie tout simplement, alors que le design est idéal pour notre climat.
La nécessité de creuser une fosse profonde et de couler les fondations a probablement joué ici un rôle. La construction d'une serre enterrée est assez coûteuse ; c'est loin d'être une serre recouverte de polyéthylène, mais le rendement de la serre est bien plus important.
L'éclairage interne total n'est pas perdu en étant enfoui dans le sol ; cela peut paraître étrange, mais dans certains cas, la saturation lumineuse est même supérieure à celle des serres classiques.
Il est impossible de ne pas mentionner la solidité et la fiabilité de la structure ; elle est incomparablement plus solide que d'habitude, elle résiste plus facilement aux rafales de vent des ouragans, elle résiste bien à la grêle et les débris de neige ne deviendront pas un obstacle.

1. Fosse

Créer une serre commence par creuser une fosse. Pour utiliser la chaleur de la terre pour chauffer l’intérieur, la serre doit être suffisamment profonde. Plus on s’enfonce, plus la terre se réchauffe.
La température reste presque inchangée tout au long de l'année à une distance de 2 à 2,5 mètres de la surface. A une profondeur de 1 m, la température du sol fluctue davantage, mais même en hiver sa valeur reste positive, généralement à voie du milieu la température est de 4 à 10 °C, selon la période de l'année.
Une serre encastrée se construit en une saison. Autrement dit, en hiver, il sera pleinement capable de fonctionner et de générer des revenus. La construction n'est pas bon marché, mais en utilisant de l'ingéniosité et des matériaux de compromis, il est possible d'économiser littéralement un ordre de grandeur en créant une sorte de version économique d'une serre, à partir de la fosse de fondation.
Par exemple, renoncez à l’utilisation d’équipements de construction. Bien que la partie la plus laborieuse du travail - creuser une fosse - soit, bien sûr, préférable de la confier à une excavatrice. L’élimination manuelle d’un tel volume de terre est difficile et prend du temps.
La profondeur de la fosse doit être d'au moins deux mètres. À une telle profondeur, la terre commencera à partager sa chaleur et fonctionnera comme une sorte de thermos. Si la profondeur est moindre, l'idée fonctionnera en principe, mais nettement moins efficacement. Par conséquent, il est recommandé de ne pas épargner d’efforts et d’argent pour approfondir la future serre.
Les serres souterraines peuvent avoir n'importe quelle longueur, mais il est préférable de maintenir la largeur à moins de 5 mètres ; si la largeur est plus grande, les caractéristiques de qualité du chauffage et de la réflexion de la lumière se détériorent.
Sur les côtés de l'horizon, les serres souterraines doivent être orientées, comme les serres et serres ordinaires, d'est en ouest, c'est-à-dire de manière à ce qu'un des côtés soit tourné vers le sud. Dans cette position, les plantes recevront le maximum d’énergie solaire.

2. Murs et toit

Une fondation est coulée ou des blocs sont posés le long du périmètre de la fosse. La fondation sert de base aux murs et à la charpente de la structure. Il est préférable de réaliser des murs à partir de matériaux présentant de bonnes caractéristiques d'isolation thermique ; les blocs thermiques sont une excellente option.

La charpente est souvent réalisée en bois, à partir de barres imprégnées d'agents antiseptiques. La structure du toit est généralement à pignon droit. Une poutre faîtière est fixée au centre de la structure ; supports centraux sur toute la longueur de la serre.

La poutre faîtière et les murs sont reliés par une série de chevrons. Le cadre peut être réalisé sans supports hauts. Ils sont remplacés par de petits, qui sont placés sur des poutres transversales reliant les côtés opposés de la serre - cette conception rend l'espace interne plus libre.

Comme couverture de toit, il est préférable de prendre polycarbonate cellulaire- populaire matériel moderne. La distance entre les chevrons pendant la construction est ajustée à la largeur feuilles de polycarbonate. Il est pratique de travailler avec le matériau. Le revêtement est obtenu avec un petit nombre de joints, puisque les tôles sont réalisées sur 12 m de long.

Ils sont fixés au cadre avec des vis autotaraudeuses ; il est préférable de les choisir avec un capuchon en forme de rondelle. Pour éviter la fissuration de la tôle, vous devez percer un trou du diamètre approprié pour chaque vis autotaraudeuse. À l'aide d'un tournevis ou d'une perceuse ordinaire avec un embout Phillips, le travail de vitrage se déroule très rapidement. Pour s'assurer qu'il ne reste aucun espace, il est bon de poser au préalable les chevrons le long du sommet avec un scellant à base de caoutchouc souple ou tout autre matériau approprié et vissez ensuite les tôles. Le sommet du toit le long du faîte doit être posé avec une isolation souple et pressé avec une sorte de coin : plastique, étain ou autre matériau approprié.

Pour une bonne isolation thermique, la toiture est parfois réalisée avec une double couche de polycarbonate. Bien que la transparence soit réduite d'environ 10 %, elle est couverte par d'excellentes performances d'isolation thermique. Il convient de garder à l’esprit que la neige sur un tel toit ne fond pas. Par conséquent, la pente doit avoir un angle suffisant, d'au moins 30 degrés, pour que la neige ne s'accumule pas sur le toit. De plus, un vibrateur électrique est installé pour secouer ; il protégera le toit en cas d'accumulation de neige.

Le double vitrage se réalise de deux manières :

Un profilé spécial est inséré entre deux tôles, les tôles sont fixées au cadre par le haut ;

Tout d’abord, la couche inférieure de vitrage est fixée au cadre depuis l’intérieur, sous les chevrons. Le toit est recouvert de la deuxième couche, comme d'habitude, par le haut.

Une fois les travaux terminés, il est conseillé de sceller tous les joints avec du ruban adhésif. Le toit fini est très impressionnant : sans joints inutiles, lisse, sans parties saillantes.

3. Isolation et chauffage

L'isolation des murs est réalisée comme suit. Vous devez d'abord enduire soigneusement tous les joints et coutures du mur avec la solution ; ici, vous pouvez également utiliser de la mousse de polyuréthane. L'intérieur des murs est recouvert d'un film d'isolation thermique.

Dans les régions froides du pays, il est bon d'utiliser un film d'aluminium épais, recouvrant le mur d'une double couche.

La température au plus profond du sol de la serre est supérieure au point de congélation, mais plus froide que la température de l’air nécessaire à la croissance des plantes. La couche supérieure est chauffée par les rayons du soleil et l'air de la serre, mais le sol absorbe quand même la chaleur, si souvent dans les serres souterraines, ils utilisent la technologie du « plancher chaud » : un élément chauffant - câble électrique- protégé par une grille métallique ou rempli de béton.

Dans le second cas, la terre pour les plates-bandes est coulée sur du béton ou les légumes verts sont cultivés dans des pots et des pots de fleurs.

L’utilisation d’un chauffage par le sol peut suffire à chauffer toute la serre, si la puissance est suffisante. Mais il est plus efficace et plus confortable pour les plantes d'utiliser le chauffage combiné : sol chaud + chauffage à air. Pour une bonne croissance, ils ont besoin d’une température de l’air de 25 à 35 degrés et d’une température du sol d’environ 25 C.

CONCLUSION

Bien entendu, la construction d’une serre encastrée coûtera plus cher et nécessitera plus d’efforts que la construction d’une serre similaire de conception conventionnelle. Mais l'argent investi dans une serre thermos s'amortit avec le temps.

Premièrement, cela permet d'économiser de l'énergie sur le chauffage. Peu importe la façon dont vous chauffez le heure d'hiver une serre aérienne ordinaire, cela sera toujours plus coûteux et plus difficile qu'une méthode de chauffage similaire dans une serre souterraine. Deuxièmement, économiser sur l'éclairage. L'isolation thermique des murs en feuille, réfléchissant la lumière, double l'éclairage. Le microclimat dans une serre profonde en hiver sera plus favorable aux plantes, ce qui affectera certainement le rendement. Les plants s'enracineront facilement et les plantes délicates se sentiront bien. Une telle serre garantit une stabilité, haut rendement toutes les plantes toute l'année.

Dans notre pays riche en hydrocarbures, la géothermie est une sorte de ressource exotique qui, compte tenu de la situation actuelle, ne risque pas de concurrencer le pétrole et le gaz. Cependant, ce type d’énergie alternative peut être utilisé presque partout et de manière assez efficace.

L'énergie géothermique est la chaleur de l'intérieur de la Terre. Il est produit dans les profondeurs et atteint la surface de la Terre en différentes formes et avec des intensités différentes.

La température des couches supérieures du sol dépend principalement de facteurs externes (exogènes) - l'éclairement solaire et la température de l'air. En été et pendant la journée, le sol se réchauffe jusqu'à certaines profondeurs, et en hiver et la nuit il se refroidit suite aux changements de température de l'air et avec un certain retard qui augmente avec la profondeur. L'influence des fluctuations quotidiennes de la température de l'air se termine à des profondeurs de quelques à plusieurs dizaines de centimètres. Les fluctuations saisonnières affectent les couches de sol plus profondes - jusqu'à des dizaines de mètres.

À une certaine profondeur - de dizaines à centaines de mètres - la température du sol reste constante, égale à la température annuelle moyenne de l'air à la surface de la Terre. Vous pouvez facilement le vérifier en descendant dans une grotte assez profonde.

Lorsque la température annuelle moyenne de l'air dans une zone donnée est inférieure à zéro, elle se manifeste sous forme de pergélisol (plus précisément de pergélisol). DANS Sibérie orientale L'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur des sols gelés toute l'année, atteint à certains endroits 200 à 300 m.

A partir d'une certaine profondeur (différente pour chaque point de la carte), l'action du Soleil et de l'atmosphère s'affaiblit tellement que les facteurs endogènes (internes) viennent en premier et que l'intérieur de la Terre se réchauffe de l'intérieur, de sorte que la température commence à augmenter. avec profondeur.

Le réchauffement des couches profondes de la Terre est principalement associé à la désintégration des éléments radioactifs qui s'y trouvent, bien que d'autres sources de chaleur soient également appelées, par exemple, des processus physico-chimiques et tectoniques dans les couches profondes de la croûte et du manteau terrestre. Mais quelle qu’en soit la raison, la température des roches et des substances liquides et gazeuses associées augmente avec la profondeur. Les mineurs sont confrontés à ce phénomène : il fait toujours chaud dans les mines profondes. À une profondeur de 1 km, une chaleur de trente degrés est normale et, plus profondément, la température est encore plus élevée.

Le flux de chaleur de l'intérieur de la Terre atteignant la surface de la Terre est faible : sa puissance moyenne est de 0,03 à 0,05 W/m2, soit environ 350 Wh/m2 par an. Dans le contexte du flux de chaleur du Soleil et de l'air chauffé par celui-ci, c'est une valeur imperceptible : le Soleil donne à chacun mètre carré la surface terrestre est d'environ 4 000 kWh par an, soit 10 000 fois plus (bien sûr, c'est en moyenne, avec un écart énorme entre les latitudes polaires et équatoriales et en fonction d'autres facteurs climatiques et météorologiques).

L'insignifiance du flux de chaleur de l'intérieur vers la surface sur la majeure partie de la planète est associée à la faible conductivité thermique des roches et aux particularités de la structure géologique. Mais il existe des exceptions : les endroits où le flux de chaleur est élevé. Il s’agit tout d’abord de zones de failles tectoniques, d’activité sismique accrue et de volcanisme, où l’énergie de l’intérieur de la Terre trouve un débouché. De telles zones sont caractérisées par des anomalies thermiques de la lithosphère ; ici, le flux de chaleur atteignant la surface de la Terre peut être plusieurs fois, voire plusieurs fois, plus puissant que « d'habitude ». Les éruptions volcaniques et les sources chaudes apportent d'énormes quantités de chaleur à la surface de ces zones.

Ce sont ces zones qui sont les plus favorables au développement de la géothermie. Sur le territoire de la Russie, il s'agit avant tout du Kamtchatka, des îles Kouriles et du Caucase.

Dans le même temps, le développement de l'énergie géothermique est possible presque partout, car l'augmentation de la température avec la profondeur est un phénomène universel, et la tâche est « d'extraire » la chaleur des profondeurs, tout comme on en extrait les matières premières minérales.

En moyenne, la température augmente avec la profondeur de 2,5 à 3°C tous les 100 m. Le rapport entre la différence de température entre deux points situés à des profondeurs différentes et la différence de profondeur entre eux est appelé gradient géothermique.

L’inverse est l’étage géothermique, ou l’intervalle de profondeur auquel la température augmente de 1°C.

Plus le gradient est élevé et, par conséquent, plus l’étage est bas, plus la chaleur des profondeurs terrestres se rapproche de la surface et plus cette zone est prometteuse pour le développement de l’énergie géothermique.

Dans différentes zones, en fonction de la structure géologique et d'autres conditions régionales et locales, le taux d'augmentation de la température avec la profondeur peut varier considérablement. À l'échelle de la Terre, les fluctuations de l'ampleur des gradients et des échelons géothermiques atteignent 25 fois. Par exemple, en Oregon (États-Unis), le gradient est de 150°C pour 1 km et en Afrique du Sud de 6°C pour 1 km.

La question est : quelle est la température à grande profondeur – 5, 10 km ou plus ? Si la tendance se poursuit, les températures à une profondeur de 10 km devraient être en moyenne d’environ 250 à 300°C. Ceci est plus ou moins confirmé par des observations directes dans des puits ultra-profonds, même si le tableau est bien plus compliqué qu'une augmentation linéaire de la température.

Par exemple, dans le puits très profond de Kola, foré dans le bouclier cristallin de la Baltique, la température jusqu'à une profondeur de 3 km change à raison de 10°C/1 km, puis le gradient géothermique devient 2 à 2,5 fois plus élevé. A une profondeur de 7 km, une température de 120°C a déjà été enregistrée, à 10 km - 180°C et à 12 km - 220°C.

Un autre exemple est un puits foré dans la région de la Caspienne du Nord, où à une profondeur de 500 m une température de 42°C a été enregistrée, à 1,5 km - 70°C, à 2 km - 80°C, à 3 km - 108°C. .

On suppose que le gradient géothermique diminue à partir d'une profondeur de 20 à 30 km : à une profondeur de 100 km, les températures estimées sont d'environ 1 300 à 1 500°C, à une profondeur de 400 km à 1 600°C, dans la zone terrestre. noyau (profondeurs supérieures à 6 000 km) - 4 000 à 5 000°C.

À des profondeurs allant jusqu'à 10 à 12 km, la température est mesurée au moyen de puits forés ; là où ils ne sont pas présents, elle est déterminée par des signes indirects de la même manière qu'à de plus grandes profondeurs. De tels signes indirects peuvent être la nature du passage des ondes sismiques ou la température de la lave en éruption.

Cependant, pour les besoins de l'énergie géothermique, les données sur les températures à des profondeurs supérieures à 10 km ne présentent pas encore d'intérêt pratique.

Il y a beaucoup de chaleur à plusieurs kilomètres de profondeur, mais comment l'augmenter ? Parfois, la nature elle-même résout ce problème pour nous à l'aide d'un liquide de refroidissement naturel - des eaux thermales chauffées qui remontent à la surface ou se trouvent à une profondeur accessible à nous. Dans certains cas, l’eau des profondeurs est chauffée jusqu’à devenir de la vapeur.

Il n’existe pas de définition stricte de la notion d’« eaux thermales ». En règle générale, il s'agit des eaux souterraines chaudes à l'état liquide ou sous forme de vapeur, y compris celles qui arrivent à la surface de la Terre avec une température supérieure à 20°C, c'est-à-dire généralement supérieure à la température de l'air. .

Chaud eaux souterraines, vapeur, mélanges vapeur-eau - c'est l'énergie hydrothermale. En conséquence, l'énergie basée sur son utilisation est appelée hydrothermale.

La situation est plus compliquée avec l'extraction de chaleur directement des roches sèches - énergie pétrothermique, d'autant plus qu'il y en a suffisamment hautes températures, en règle générale, commencent à des profondeurs de plusieurs kilomètres.

Sur le territoire de la Russie, le potentiel de l'énergie pétrothermique est cent fois supérieur à celui de l'énergie hydrothermale - respectivement 3 500 et 35 000 milliards de tonnes. carburant standard. C'est tout à fait naturel : la chaleur des profondeurs de la Terre est disponible partout et les eaux thermales se trouvent localement. Cependant, en raison de difficultés techniques évidentes, les eaux thermales sont actuellement principalement utilisées pour produire de la chaleur et de l'électricité.

Les eaux dont la température est comprise entre 20 et 30 °C et 100 °C conviennent au chauffage, tandis que les températures de 150 °C et plus conviennent à la production d'électricité dans les centrales géothermiques.

En général, les ressources géothermiques de la Russie, en termes de tonnes d'équivalent combustible ou de toute autre unité de mesure de l'énergie, sont environ 10 fois supérieures aux réserves de combustibles fossiles.

Théoriquement, uniquement à cause de l'énergie géothermique il serait possible de satisfaire pleinement les besoins énergétiques du pays. En pratique, à l’heure actuelle, sur la majeure partie du territoire, cela n’est pas réalisable pour des raisons techniques et économiques.

Dans le monde, l’utilisation de l’énergie géothermique est le plus souvent associée à l’Islande, pays situé à l’extrémité nord de la dorsale médio-atlantique, dans une zone tectonique et volcanique extrêmement active. Tout le monde se souvient probablement de la puissante éruption du volcan Eyjafjallajökull ( Eyjafjallajökull) en 2010.

C’est grâce à cette spécificité géologique que l’Islande possède d’énormes réserves d’énergie géothermique, dont des sources chaudes qui émergent à la surface de la Terre et jaillissent même sous forme de geysers.

En Islande, plus de 60 % de toute l’énergie consommée provient actuellement de la Terre. Y compris en raison de sources géothermiques 90 % du chauffage et 30 % de la production d'électricité sont assurés. Ajoutons que le reste de l’électricité du pays est produit par des centrales hydroélectriques, c’est-à-dire également à partir d’une source d’énergie renouvelable, ce qui fait de l’Islande une sorte de norme environnementale mondiale.

La domestication de l’énergie géothermique au XXe siècle a grandement bénéficié à l’économie islandaise. Jusqu'au milieu du siècle dernier, c'était un pays très pauvre ; aujourd'hui, il se classe au premier rang mondial en termes de capacité installée et de production d'énergie géothermique par habitant et se classe parmi les dix premiers en termes de valeur absolue capacité installée centrales géothermiques. Cependant, sa population n'est que de 300 000 personnes, ce qui simplifie la transition vers une économie respectueuse de l'environnement. sources propresénergie : le besoin en est généralement faible.

Outre l’Islande part élevée l'énergie géothermique dans le bilan global de la production électrique est fournie en Nouvelle-Zélande et dans les pays insulaires d'Asie du Sud-Est (Philippines et Indonésie), d'Amérique centrale et Afrique de l'Est, dont le territoire est également caractérisé par une forte activité sismique et volcanique. Pour ces pays, à leur niveau actuel de développement et de leurs besoins l'énergie géothermique apporte une contribution significative au développement socio-économique.

L'utilisation de l'énergie géothermique a une très longue histoire. L'un des premiers exemples connus est l'Italie, un lieu de la province de Toscane, aujourd'hui appelé Larderello, où même en début XIX Pendant des siècles, les eaux thermales chaudes locales, coulant naturellement ou extraites de puits peu profonds, étaient utilisées à des fins énergétiques.

L'eau de sources souterraines, riche en bore, était utilisée ici pour obtenir acide borique. Initialement, cet acide était obtenu par évaporation dans des chaudières en fer et le bois de chauffage ordinaire des forêts voisines était utilisé comme combustible, mais en 1827, Francesco Larderel a créé un système qui fonctionnait sur la chaleur des eaux elles-mêmes. Dans le même temps, l'énergie de la vapeur d'eau naturelle a commencé à être utilisée pour faire fonctionner les plates-formes de forage et, au début du 20e siècle, pour chauffer les maisons et les serres locales. Là, à Larderello, en 1904, la vapeur d'eau thermale est devenue une source d'énergie pour produire de l'électricité.

L'exemple de l'Italie a été suivi par plusieurs autres pays à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. Par exemple, en 1892, les eaux thermales ont été utilisées pour la première fois pour le chauffage local aux États-Unis (Boise, Idaho), en 1919 au Japon et en 1928 en Islande.

Aux États-Unis, la première centrale électrique fonctionnant à l'énergie hydrothermale est apparue en Californie au début des années 1930, en Nouvelle-Zélande - en 1958, au Mexique - en 1959, en Russie (le premier GeoPP binaire au monde) - en 1965.

Ancien principe sur une nouvelle source

La production d’électricité nécessite une température de source d’eau plus élevée que pour le chauffage – plus de 150°C. Le principe de fonctionnement d'une centrale géothermique (GeoPP) est similaire à celui d'une centrale thermique conventionnelle (CHP). En fait, une centrale géothermique est un type de centrale thermique.

Dans les centrales thermiques, la principale source d’énergie est généralement le charbon, le gaz ou le fioul, et le fluide de travail est la vapeur d’eau. Le combustible, lorsqu'il est brûlé, chauffe l'eau jusqu'à l'état de vapeur, qui tourne turbine à vapeur, et il produit de l'électricité.

La différence entre GeoPP est que source principale l'énergie ici - la chaleur de l'intérieur de la terre et le fluide de travail sous forme de vapeur pénètrent dans les aubes de turbine du générateur électrique sous une forme « prête » directement à partir du puits de production.

Il existe trois principaux schémas d'exploitation des GeoPP : direct, utilisant de la vapeur sèche (géothermique) ; indirecte, à base d'eau hydrothermale, et mixte, ou binaire.

L'utilisation de l'un ou l'autre schéma dépend de l'état d'agrégation et de la température du vecteur énergétique.

Le plus simple et donc le premier des schémas maîtrisés est direct, dans lequel la vapeur provenant du puits passe directement à travers la turbine. La première centrale géoélectrique au monde à Larderello en 1904 fonctionnait également à la vapeur sèche.

Les GeoPP à fonctionnement indirect sont les plus courants à notre époque. Ils utilisent de l'eau souterraine chaude, qui est pompée sous haute pression dans un évaporateur, où une partie est évaporée, et la vapeur qui en résulte fait tourner une turbine. Dans certains cas, il est nécessaire appareils supplémentaires et des circuits pour purifier l'eau géothermique et la vapeur des composés agressifs.

La vapeur d'échappement pénètre dans le puits d'injection ou est utilisée pour chauffer les locaux - dans ce cas, le principe est le même que lors de l'exploitation d'une centrale thermique.

Dans les GeoPP binaires, l'eau thermale chaude interagit avec un autre liquide qui remplit les fonctions d'un fluide de travail avec un point d'ébullition plus bas. Les deux fluides traversent un échangeur de chaleur, où l'eau thermale évapore le fluide de travail, dont les vapeurs font tourner la turbine.

Ce système est fermé, ce qui résout le problème des émissions dans l'atmosphère. De plus, les fluides de travail à point d'ébullition relativement bas permettent d'utiliser des eaux thermales peu chaudes comme principale source d'énergie.

Dans tout trois schémas Une source hydrothermale est exploitée, mais l'énergie pétrothermique peut également être utilisée pour produire de l'électricité.

Le schéma de circuit dans ce cas est également assez simple. Il est nécessaire de forer deux puits interconnectés – d’injection et de production. L'eau est pompée dans le puits d'injection. En profondeur, il se réchauffe, puis l'eau chauffée ou la vapeur formée à la suite d'un fort chauffage bien de production apporté à la surface. Ensuite, tout dépend de la manière dont l’énergie pétrothermique est utilisée – pour le chauffage ou pour produire de l’électricité. Disponible boucle fermée en pompant la vapeur et l'eau usées vers le puits d'injection ou une autre méthode d'élimination.

L'inconvénient d'un tel système est évident : pour obtenir une température suffisamment élevée du fluide de travail, il est nécessaire de forer des puits à de grandes profondeurs. Et ce sont des coûts importants et des risques de pertes de chaleur importantes lorsque le fluide monte. Par conséquent, les systèmes pétrothermiques sont encore moins répandus que les systèmes hydrothermaux, bien que le potentiel de l'énergie pétrothermique soit plusieurs fois plus élevé.

Actuellement, le leader dans la création de systèmes de circulation dits pétrothermiques (PCS) est l'Australie. De plus, ce domaine de la géothermie se développe activement aux États-Unis, en Suisse, en Grande-Bretagne et au Japon.

Cadeau de Lord Kelvin

L'invention de la pompe à chaleur en 1852 par le physicien William Thompson (alias Lord Kelvin) a fourni à l'humanité réelle opportunité en utilisant la chaleur de faible qualité des couches supérieures du sol. Un système de pompe à chaleur, ou multiplicateur de chaleur comme l'appelait Thompson, est basé sur le processus physique de transfert de chaleur de l'environnement vers un réfrigérant. Essentiellement, il utilise le même principe que les systèmes pétrothermiques. La différence réside dans la source de chaleur, ce qui peut soulever une question terminologique : dans quelle mesure une pompe à chaleur peut-elle être considérée comme un système géothermique ? Le fait est que dans les couches supérieures, jusqu'à des profondeurs de plusieurs dizaines à centaines de mètres, les roches et les fluides qu'elles contiennent sont chauffés non pas par la chaleur profonde de la terre, mais par le soleil. C'est donc le soleil dans dans ce cas- la principale source de chaleur, même si elle provient, comme dans les systèmes géothermiques, du sol.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est basé sur le retard du réchauffement et du refroidissement du sol par rapport à l'atmosphère, ce qui entraîne la formation d'un gradient de température entre la surface et les couches plus profondes, qui retiennent la chaleur même en hiver, comme c'est le cas en réservoirs. L’objectif principal des pompes à chaleur est le chauffage des locaux. Il s’agit essentiellement d’un « réfrigérateur inversé ». La pompe à chaleur et le réfrigérateur interagissent avec trois composants : l'environnement interne (dans le premier cas - une pièce chauffée, dans le second - la chambre refroidie du réfrigérateur), l'environnement externe - une source d'énergie et un réfrigérant (réfrigérant) , qui est également un liquide de refroidissement qui assure le transfert de chaleur ou de froid.

Une substance à faible point d’ébullition agit comme un réfrigérant, ce qui lui permet d’absorber la chaleur d’une source dont la température est même relativement basse.

Dans un réfrigérateur, le réfrigérant liquide s'écoule à travers un papillon (régulateur de pression) dans l'évaporateur, où, en raison de forte diminution pression, le liquide s’évapore. L'évaporation est un processus endothermique nécessitant l'absorption de chaleur extérieure. En conséquence, la chaleur est évacuée des parois internes de l'évaporateur, ce qui produit un effet de refroidissement dans la chambre du réfrigérateur. Ensuite, le réfrigérant est aspiré de l'évaporateur vers le compresseur, où il est renvoyé sous forme liquide. état d'agrégation. Il s'agit d'un processus inverse conduisant à la libération de la chaleur évacuée dans environnement externe. En règle générale, il est jeté à l'intérieur et mur arrière le réfrigérateur est relativement chaud.

Une pompe à chaleur fonctionne presque de la même manière, à la différence que la chaleur est extraite de l'environnement extérieur et pénètre par l'évaporateur dans le environnement interne- système de chauffage des pièces.

Dans une véritable pompe à chaleur, l'eau est chauffée en passant par un circuit externe placé dans le sol ou dans un réservoir, puis entre dans l'évaporateur.

Dans l'évaporateur, la chaleur est transférée à un circuit interne rempli d'un réfrigérant à bas point d'ébullition qui, en passant à travers l'évaporateur, passe de l'état liquide à l'état gazeux, évacuant ainsi la chaleur.

Le réfrigérant gazeux entre ensuite dans le compresseur, où il est comprimé à haute pression et la température, et entre dans le condenseur, où un échange de chaleur se produit entre le gaz chaud et le liquide de refroidissement du système de chauffage.

Le compresseur a besoin d'électricité pour fonctionner, cependant, le taux de transformation (rapport entre l'énergie consommée et générée) en systèmes modernes suffisamment élevés pour garantir leur efficacité.

Actuellement, les pompes à chaleur sont assez largement utilisées pour le chauffage des locaux, principalement dans les pays économiquement développés.

Une énergie éco-correcte

L’énergie géothermique est considérée comme respectueuse de l’environnement, ce qui est généralement vrai. Tout d’abord, il utilise une ressource renouvelable et quasiment inépuisable. La géothermie ne nécessite pas de grands territoires, contrairement aux grandes centrales hydroélectriques ou aux parcs éoliens, et ne pollue pas l’atmosphère, contrairement à l’énergie des hydrocarbures. En moyenne, un GeoPP occupe 400 m 2 pour 1 GW d'électricité produite. Le même chiffre pour une centrale thermique au charbon, par exemple, est de 3 600 m2. Les avantages environnementaux de GeoPP incluent également une faible consommation d'eau - 20 litres d'eau douce pour 1 kW, tandis que les centrales thermiques et nucléaires nécessitent environ 1 000 litres. A noter qu’il s’agit des indicateurs environnementaux du GeoPP « moyen ».

Mais il existe encore des effets secondaires négatifs. Parmi elles, on identifie le plus souvent le bruit, la pollution thermique de l'atmosphère et la pollution chimique de l'eau et du sol, ainsi que la formation de déchets solides.

La principale source de pollution chimique de l'environnement est l'eau thermale elle-même (à température et minéralisation élevées), contenant souvent grandes quantités composés toxiques, et il existe donc un problème d'élimination des eaux usées et des substances dangereuses.

Les effets négatifs de l'énergie géothermique peuvent être retracés à plusieurs étapes, à commencer par le forage des puits. Les mêmes dangers surviennent ici que lors du forage de n'importe quel puits : destruction du sol et de la couverture végétale, contamination des sols et des eaux souterraines.

Au stade de l'exploitation du GeoPP, des problèmes de pollution de l'environnement subsistent. Les fluides thermiques - eau et vapeur - contiennent généralement du dioxyde de carbone (CO 2), du sulfure de soufre (H 2 S), de l'ammoniac (NH 3), du méthane (CH 4), sel de table(NaCl), bore (B), arsenic (As), mercure (Hg). Rejetés dans le milieu extérieur, ils deviennent des sources de pollution. De plus, un environnement chimique agressif peut provoquer une destruction corrosive des structures des centrales géothermiques.

Dans le même temps, les émissions de polluants des GeoPP sont en moyenne inférieures à celles des centrales thermiques. Par exemple, les émissions gaz carbonique pour chaque kilowattheure d'électricité produite, cela peut aller jusqu'à 380 g dans les GeoPP, 1 042 g dans les centrales thermiques au charbon, 906 g dans les centrales électriques au fioul et 453 g dans les centrales thermiques au gaz.

La question se pose : que faire des eaux usées ? Si la minéralisation est faible, après refroidissement, elle peut être rejetée dans les eaux de surface. Une autre solution consiste à le réinjecter dans l'aquifère via un puits d'injection, qui est de préférence et principalement utilisé à l'heure actuelle.

L'extraction de l'eau thermale des aquifères (ainsi que le pompage de l'eau ordinaire) peut provoquer des affaissements et des mouvements de sol, d'autres déformations des couches géologiques et des micro-séismes. La probabilité que de tels phénomènes se produisent est généralement faible, même si des cas isolés ont été enregistrés (par exemple au GeoPP de Staufen im Breisgau en Allemagne).

Il convient de souligner que la plupart des GeoPP sont situés dans des zones relativement peu peuplées et dans des pays du tiers monde, où les exigences environnementales sont moins strictes que dans les pays développés. De plus, le nombre de GeoPP et leurs capacités sont actuellement relativement faibles. Avec le développement à plus grande échelle de l’énergie géothermique, les risques environnementaux pourraient augmenter et se multiplier.

Quelle est l’énergie de la Terre ?

Les coûts d'investissement pour la construction de systèmes géothermiques varient dans une très large fourchette - de 200 à 5 000 dollars pour 1 kW de capacité installée, c'est-à-dire que les options les moins chères sont comparables au coût de construction d'une centrale thermique. Ils dépendent tout d’abord des conditions d’apparition des eaux thermales, de leur composition et de la conception du système. Le forage à de grandes profondeurs, la création d'un système fermé avec deux puits et la nécessité de purifier l'eau peuvent augmenter le coût plusieurs fois.

Par exemple, les investissements dans la création d'un système de circulation pétrothermique (PCS) sont estimés entre 1,6 et 4 mille dollars pour 1 kW de capacité installée, ce qui dépasse les coûts de construction. centrale nucléaire et comparable aux coûts de construction de centrales éoliennes et solaires.

L’avantage économique évident de GeoTES est l’énergie gratuite. À titre de comparaison, dans la structure des coûts d’une centrale thermique ou d’une centrale nucléaire en exploitation, le combustible représente 50 à 80 %, voire plus, selon les prix actuels de l’énergie. D'où un autre avantage du système géothermique : les coûts d'exploitation sont plus stables et prévisibles, puisqu'ils ne dépendent pas des conditions externes des prix de l'énergie. En général, les coûts d'exploitation des centrales géothermiques sont estimés entre 2 et 10 centimes (60 kopecks – 3 roubles) pour 1 kWh d'électricité produite.

Le deuxième poste de dépenses le plus important après l'énergie (et très important) est, en règle générale, les salaires du personnel de l'usine, qui peuvent varier considérablement selon les pays et les régions.

En moyenne, le coût de 1 kWh d'énergie géothermique est comparable à celui des centrales thermiques (dans les conditions russes - environ 1 rouble/1 kWh) et dix fois plus élevé que le coût de production d'électricité dans une centrale hydroélectrique (5 à 10 kopecks/1 kWh ).

Ce coût élevé s'explique en partie par le fait que, contrairement aux centrales thermiques et hydrauliques, les centrales géothermiques ont une puissance relativement faible. De plus, il est nécessaire de comparer les systèmes situés dans la même région et dans des conditions similaires. Par exemple, au Kamtchatka, selon les experts, 1 kWh d'électricité géothermique coûte 2 à 3 fois moins cher que l'électricité produite dans les centrales thermiques locales.

Les indicateurs de l'efficacité économique d'un système géothermique dépendent, par exemple, de la nécessité ou non d'éliminer les eaux usées et de la manière dont cela est fait, ainsi que de la possibilité d'une utilisation combinée de la ressource. Donc, éléments chimiques et les composés extraits de l’eau thermale peuvent fournir des revenus supplémentaires. Rappelons l'exemple de Larderello : la production chimique y était primordiale, et l'utilisation de l'énergie géothermique était initialement à caractère auxiliaire.

L’énergie géothermique en avant

L’énergie géothermique se développe un peu différemment de l’énergie éolienne et solaire. Actuellement, cela dépend beaucoup plus de la nature de la ressource elle-même, qui varie fortement selon les régions, et les concentrations les plus élevées sont associées à des zones étroites d'anomalies géothermiques, généralement associées à des zones de failles tectoniques et de volcanisme.

De plus, l’énergie géothermique est moins gourmande en technologie que l’énergie éolienne et, surtout, l’énergie solaire : les systèmes de stations géothermiques sont assez simples.

Dans la structure globale de la production mondiale d'électricité, la composante géothermique représente moins de 1 %, mais dans certaines régions et pays, sa part atteint 25 à 30 %. En raison des conditions géologiques, une partie importante de la capacité d'énergie géothermique est concentrée dans les pays du tiers monde, où se trouvent trois pôles de plus grand développement de l'industrie - les îles de l'Asie du Sud-Est, de l'Amérique centrale et de l'Afrique de l'Est. Les deux premières régions font partie de la «ceinture de feu de la Terre» du Pacifique, la troisième est liée au rift est-africain. Il est fort probable que l’énergie géothermique continue à se développer dans ces ceintures. Une perspective plus lointaine est le développement de l'énergie pétrothermique, utilisant la chaleur des couches terrestres situées à plusieurs kilomètres de profondeur. C'est une ressource presque omniprésente, mais son extraction nécessite coûts élevés L’énergie pétrothermique se développe donc principalement dans les pays les plus puissants économiquement et technologiquement.

De manière générale, compte tenu de la large répartition des ressources géothermiques et d'un niveau acceptable de sécurité environnementale, il y a des raisons de croire que l'énergie géothermique a de bonnes perspectives de développement. Surtout avec la menace croissante d’une pénurie des ressources énergétiques traditionnelles et de la hausse de leurs prix.

Du Kamtchatka au Caucase

En Russie, le développement de l'énergie géothermique a une histoire assez longue et, dans un certain nombre de positions, nous sommes parmi les leaders mondiaux, même si dans le bilan énergétique global de cet immense pays, la part de l'énergie géothermique est encore négligeable.

Deux régions sont devenues pionnières et centres de développement de l'énergie géothermique en Russie - le Kamtchatka et Caucase du Nord, et si dans le premier cas nous parlons principalement d'électricité, alors dans le second - de l'utilisation de l'énergie thermique de l'eau thermale.

Dans le Caucase du Nord - dans le territoire de Krasnodar, en Tchétchénie et au Daghestan - la chaleur des eaux thermales était utilisée à des fins énergétiques avant même le Grand Guerre patriotique. Dans les années 1980-1990, le développement de l’énergie géothermique dans la région, pour des raisons évidentes, s’est arrêté et n’est pas encore sortie de sa stagnation. Néanmoins, l'approvisionnement en eau géothermique dans le Caucase du Nord fournit de la chaleur à environ 500 000 personnes et, par exemple, la ville de Labinsk dans le territoire de Krasnodar, avec une population de 60 000 habitants, est entièrement chauffée par les eaux géothermiques.

Au Kamchatka, l'histoire de l'énergie géothermique est avant tout liée à la construction de GeoPP. Les premières d'entre elles, les stations Pauzhetskaya et Paratunka, toujours en activité, ont été construites en 1965-1967, tandis que le GeoPP Paratunka d'une capacité de 600 kW est devenu la première station au monde dotée d'un cycle binaire. C'est ce qu'ont développé les scientifiques soviétiques S.S. Kutateladze et A.M. Rosenfeld de l'Institut de thermophysique SB RAS, qui ont reçu en 1965 un certificat d'auteur pour l'extraction d'électricité à partir d'une température de 70°C. Cette technologie est ensuite devenue le prototype de plus de 400 GeoPP binaires dans le monde.

La capacité du GeoPP Pauzhetskaya, mis en service en 1966, était initialement de 5 MW et a ensuite été augmentée à 12 MW. Actuellement, une unité binaire est en construction à la centrale, ce qui augmentera sa capacité de 2,5 MW supplémentaires.

Le développement de l'énergie géothermique en URSS et en Russie a été entravé par la disponibilité des sources d'énergie traditionnelles - pétrole, gaz, charbon, mais n'a jamais été arrêté. Les plus grandes installations d'énergie géothermique à l'heure actuelle sont le GeoPP Verkhne-Mutnovskaya avec une capacité totale de unités de puissance de 12 MW, mise en service en 1999, et le GeoPP Mutnovskaya avec une capacité de 50 MW (2002).

Les GeoPP Mutnovskaya et Verkhne-Mutnovskaya sont des objets uniques non seulement pour la Russie, mais aussi à l'échelle mondiale. Les stations sont situées au pied du volcan Mutnovsky, à une altitude de 800 mètres au-dessus du niveau de la mer, et fonctionnent dans des conditions extrêmes. conditions climatiques, où l'hiver dure 9 à 10 mois par an. L'équipement des GeoPP de Mutnovsky, actuellement l'un des plus modernes au monde, a été entièrement créé dans des entreprises nationales d'ingénierie énergétique.

Actuellement, la part des stations Mutnovsky dans la structure globale de consommation d'énergie du pôle énergétique central du Kamtchatka est de 40 %. Il est prévu d'augmenter la capacité dans les années à venir.

Une mention spéciale doit être faite aux développements pétrothermiques russes. Nous n'avons pas encore de gros PCB, mais nous avons Haute technologie des forages à de grandes profondeurs (environ 10 km), qui n'ont pas non plus d'analogues dans le monde. Leur développement ultérieur réduira radicalement les coûts de création de systèmes pétrothermiques. Les développeurs de ces technologies et projets sont N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institut géologique de l'Académie des sciences de Russie), A. S. Nekrasov (Institut de prévision économique nationale de l'Académie des sciences de Russie) et des spécialistes de l'usine de turbines de Kaluga. Actuellement, le projet de système de circulation pétrothermique en Russie est au stade expérimental.

L'énergie géothermique a des perspectives en Russie, même si elles sont relativement lointaines : à l'heure actuelle, le potentiel est assez important et la position de l'énergie traditionnelle est forte. Dans le même temps, dans un certain nombre de régions reculées du pays, l'utilisation de l'énergie géothermique est économiquement rentable et est déjà très demandée. Il s'agit de territoires à fort potentiel géoénergétique (Tchoukotka, Kamtchatka, îles Kouriles - partie russe La «ceinture de feu de la Terre» du Pacifique, les montagnes du sud de la Sibérie et du Caucase) et en même temps éloignées et coupées de l'approvisionnement énergétique centralisé.

Probablement, dans les décennies à venir, l'énergie géothermique dans notre pays se développera précisément dans ces régions.

Kirill Degtyarev, Chercheur, Moscou Université d'État eux. M. V. Lomonossov.

Photo d'Igor Konstantinov.

Changements de température du sol avec la profondeur.

Une augmentation de la température des eaux thermales et des roches sèches les contenant avec la profondeur.

La température change avec la profondeur dans différentes régions.

L'éruption du volcan islandais Eyjafjallajokull est une illustration de processus volcaniques violents se produisant dans des zones tectoniques et volcaniques actives avec un puissant flux de chaleur provenant des entrailles de la terre.

Capacités installées des centrales géothermiques par pays, MW.

Répartition des ressources géothermiques dans toute la Russie. Les réserves d'énergie géothermique, selon les experts, sont plusieurs fois supérieures aux réserves énergétiques des combustibles fossiles organiques. Selon la Geothermal Energy Society.

L'énergie géothermique est la chaleur de l'intérieur de la Terre. Il est produit dans les profondeurs et atteint la surface de la Terre sous différentes formes et avec différentes intensités.

Lorsque la température annuelle moyenne de l'air dans une zone donnée est inférieure à zéro, elle se manifeste sous forme de pergélisol (plus précisément de pergélisol). En Sibérie orientale, l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur des sols gelés toute l'année, atteint à certains endroits 200 à 300 m.

Le flux de chaleur de l'intérieur de la Terre atteignant la surface de la Terre est faible - sa puissance moyenne est de 0,03 à 0,05 W/m2,
soit environ 350 Wh/m2 par an. Dans le contexte du flux de chaleur du Soleil et de l'air chauffé par celui-ci, c'est une valeur imperceptible : le Soleil donne à chaque mètre carré de la surface terrestre environ 4 000 kWh par an, soit 10 000 fois plus (bien sûr, c'est en moyenne, avec un écart important entre les latitudes polaires et équatoriales et en fonction d'autres facteurs climatiques et météorologiques).

Ce sont ces zones qui sont les plus favorables au développement de la géothermie. Sur le territoire de la Russie, il s'agit avant tout du Kamtchatka, des îles Kouriles et du Caucase.

En moyenne, la température augmente avec la profondeur de 2,5 à 3 °C tous les 100 m. Le rapport entre la différence de température entre deux points situés à des profondeurs différentes et la différence de profondeur entre eux est appelé gradient géothermique.

La valeur réciproque est le pas géothermique, ou l'intervalle de profondeur auquel la température augmente de 1 o C.

Dans différentes zones, en fonction de la structure géologique et d'autres conditions régionales et locales, le taux d'augmentation de la température avec la profondeur peut varier considérablement. À l'échelle de la Terre, les fluctuations de l'ampleur des gradients et des échelons géothermiques atteignent 25 fois. Par exemple, dans l'Oregon (États-Unis), le gradient est de 150 °C pour 1 km et en Afrique du Sud de 6 °C pour 1 km.

La question est : quelle est la température à grande profondeur – 5, 10 km ou plus ? Si la tendance se poursuit, la température à une profondeur de 10 km devrait être en moyenne d'environ 250-300 o C. Ceci est plus ou moins confirmé par des observations directes dans des puits ultra-profonds, bien que le tableau soit beaucoup plus compliqué qu'une augmentation linéaire de la température. .

Par exemple, dans le puits très profond de Kola, foré dans le bouclier cristallin de la Baltique, la température jusqu'à une profondeur de 3 km change à raison de 10 °C/1 km, puis le gradient géothermique devient 2 à 2,5 fois plus élevé. A une profondeur de 7 km, une température de 120 o C a déjà été enregistrée, à 10 km - 180 o C et à 12 km - 220 o C.

Un autre exemple est un puits foré dans la région de la Caspienne septentrionale, où à une profondeur de 500 m une température de 42 o C a été enregistrée, à 1,5 km - 70 o C, à 2 km - 80 o C, à 3 km - 108 o C. .

On suppose que le gradient géothermique diminue à partir d'une profondeur de 20 à 30 km : à une profondeur de 100 km, les températures estimées sont d'environ 1 300 à 1 500 o C, à une profondeur de 400 km à 1 600 o C, dans la zone terrestre. noyau (profondeurs supérieures à 6000 km) - 4000-5000 o AVEC.

À des profondeurs allant jusqu'à 10 à 12 km, la température est mesurée à travers des puits forés ; là où ils ne sont pas présents, elle est déterminée par des signes indirects de la même manière qu'à de plus grandes profondeurs. De tels signes indirects peuvent être la nature du passage des ondes sismiques ou la température de la lave en éruption.

Cependant, pour les besoins de l'énergie géothermique, les données sur les températures à des profondeurs supérieures à 10 km ne présentent pas encore d'intérêt pratique.

Il n’existe pas de définition stricte de la notion d’« eaux thermales ». En règle générale, il s'agit des eaux souterraines chaudes à l'état liquide ou sous forme de vapeur, y compris celles arrivant à la surface de la Terre avec une température supérieure à 20 ° C, c'est-à-dire généralement supérieure à la température de l'air.

La chaleur des eaux souterraines, de la vapeur et des mélanges vapeur-eau est de l'énergie hydrothermale. En conséquence, l'énergie basée sur son utilisation est appelée hydrothermale.

La situation est plus compliquée avec l'extraction de chaleur directement à partir de roches sèches - l'énergie pétrothermique, d'autant plus que des températures assez élevées commencent généralement à des profondeurs de plusieurs kilomètres.

Sur le territoire de la Russie, le potentiel de l'énergie pétrothermique est cent fois supérieur à celui de l'énergie hydrothermale - respectivement 3 500 et 35 000 milliards de tonnes de carburant standard. C'est tout à fait naturel : la chaleur des profondeurs de la Terre est disponible partout et les eaux thermales se trouvent localement. Cependant, en raison de difficultés techniques évidentes, les eaux thermales sont actuellement principalement utilisées pour produire de la chaleur et de l'électricité.

L'eau avec des températures de 20-30 à 100 ° C convient au chauffage, avec des températures de 150 ° C et plus - et à la production d'électricité dans les centrales géothermiques.

Théoriquement, seule l'énergie géothermique pourrait satisfaire pleinement les besoins énergétiques du pays. En pratique, à l’heure actuelle, sur la majeure partie du territoire, cela n’est pas réalisable pour des raisons techniques et économiques.

En Islande, plus de 60 % de toute l’énergie consommée provient actuellement de la Terre. Les sources géothermiques assurent 90 % du chauffage et 30 % de la production d'électricité. Ajoutons que le reste de l’électricité du pays est produit par des centrales hydroélectriques, c’est-à-dire également à partir d’une source d’énergie renouvelable, ce qui fait de l’Islande une sorte de norme environnementale mondiale.

La domestication de l’énergie géothermique au XXe siècle a grandement bénéficié à l’économie islandaise. Jusqu'au milieu du siècle dernier, c'était un pays très pauvre, il se classe aujourd'hui au premier rang mondial en termes de capacité installée et de production d'énergie géothermique par habitant et se classe parmi les dix premiers en termes de capacité installée absolue de centrales géothermiques. . Cependant, sa population n'est que de 300 000 personnes, ce qui simplifie la tâche de transition vers des sources d'énergie respectueuses de l'environnement : le besoin en est généralement faible.

Outre l'Islande, une part élevée de l'énergie géothermique dans le bilan global de la production électrique est fournie en Nouvelle-Zélande et dans les pays insulaires d'Asie du Sud-Est (Philippines et Indonésie), pays d'Amérique centrale et d'Afrique de l'Est, dont le territoire est également caractérisé par une forte activité sismique et volcanique. Pour ces pays, à leur niveau actuel de développement et de besoins, l’énergie géothermique apporte une contribution significative au développement socio-économique.

(La fin suit.)