Exploitation de la géothermie profonde en Bavière (Allemagne). À l

Exploitation de la géothermie profonde en Bavière (Allemagne).
À l’exemple de Grünwald, Kirchweidach et Traunreut.
Les 24 et 25 août 2015, deux collaborateurs de la société Géo-Énergie Suisse SA, trois représentantes
d’actionnaires (ewz, ewb) et un journaliste ont visité cinq centrales géothermiques bavaroises. Ce voyage
d’étude était organisé et dirigé par Thorsten Weimann, directeur de l’entreprise gec-co GmbH.
Vue d’ensemble de l’exploitation de la géothermie profonde en Bavière
À l’heure actuelle, vingt installations exploitant la géothermie profonde sont en activité dans le Land de
Bavière. La première centrale géothermique a été mise en service à Straubing en 1992 et la première centrale à produire de la chaleur et de l’électricité a démarré à Unterhaching en 2009. En 2012, les communes
de Grünwald et d’Unterhaching ont fondé conjointement le premier groupement géothermique
d’Allemagne. L’installation de Grünwald fournit de la chaleur depuis 2011 et de l’électricité depuis fin 2014.
Figure 1: Vue d’ensemble des installations de géothermie profonde implantées dans le bassin molassique bavarois.
Source: dossier de presse TIGER (Tiefe Geothermie-Deutschland).
1
Grünwald – Chaleur renouvelable et courant vert
Le projet communal de géothermie nommé « Erdwärme Grünwald » (EWG) a été lancé en 2008. Il a pour
but d’assurer la desserte de base de Grünwald en lui fournissant de l’énergie thermique renouvelable et de
produire en sus du courant vert. La société Erdwärme Grünwald GmbH, entièrement en main communale,
exploite la centrale, implantée à Laufzorn, sur le territoire de la commune voisine d’Oberhaching, et commercialise l’énergie qu’elle produit.
L’installation géothermique de Grünwald privilégie l’aspect thermique, ce qui signifie que l’alimentation en
chaleur prime sur la production d’électricité. Elle peut générer davantage de courant lorsque la demande en
chaleur est moindre, et inversement. La commune de Grünwald a développé continuellement son réseau de
transport de chaleur à distance depuis que la productivité des deux forages profonds a été confirmée en
juin 2010. Avec un débit de 130-140 litres d’eau par seconde à une température de 125-130° C, le test de
longue durée a fourni de très bonnes valeurs, nettement supérieures au résultat escompté de 100 litres
d’eau par seconde à 120° C. La production effective de chaleur, qui a débuté en octobre 2011, a permis
d’alimenter les premiers ménages, entreprises et immeubles communaux (jardins d’enfants, bâtiments scolaires, hôtel de ville) avec cette nouvelle énergie thermique indigène renouvelable. Le réseau de chaleur à
distance a été constamment étendu et densifié depuis lors. Les deux communes d’Unterhaching et de
Grünwald se sont associées pour former un groupement géothermique en 2012. En octobre 2013, une puissante pompe centrifuge a été immergée à une profondeur de 760 mètres dans le puits de production. Elle
permet d’extraire jusqu’à 160 litres d’eau par seconde. L’extension du réseau de chaleur à distance de
Grünwald, la création du groupement géothermique avec Unterhaching et la mise en service de la centrale
électrique ORC requièrent des performances thermiques maximales. Le réseau avait une longueur de
l’ordre de 35 kilomètres à fin 2014. En comptant le tronçon de conduite acheminant de l’eau chaude vers
Unterhaching, le réseau de chaleur à distance alimenté par l’installation de Grünwald s’étend sur près de
40 kilomètres à l’heure actuelle. Il est prévu d’en ajouter 24,5 d’ici 2017.
La part de chaleur d’origine géothermique produite dans l’installation de Grünwald implantée à Laufzorn qui
est acheminée par une conduite de liaison longue de quelque cinq kilomètres jusqu’à Unterhaching y est
exploitée dans une centrale géothermique pour approvisionner le réseau local de chaleur à distance et pour
produire de l’électricité. Le transfert de chaleur est assuré par des échangeurs bidirectionnels Sondex et par
des pompes Baker Hughes qui les alimentent en eau thermale. Les deux sociétés géothermiques profitent
de la connexion: Grünwald exploite pleinement son forage et Unterhaching couvre le besoin d’énergie de sa
centrale électrique recourant au procédé Kalina. Mais surtout, les deux communes accroissent la sécurité de
leur alimentation en chaleur. Le groupement géothermique crée en effet une situation de redondance entre
les deux installations reliées, ce qui permet de réduire l’utilisation des chaudières à mazout et d’agir en faveur du climat grâce à la diminution des rejets de CO2 que cela implique.
Depuis décembre 2014, la société Erdwärme Grünwald GmbH exploite également une centrale électrique
ORC à Laufzorn. La technologie ORC (Organic Rankine Cycle, cycle organique de Rankine) est déjà bien établie, contrairement au procédé Kalina mis en œuvre à Unterhaching. Cette centrale utilise de l’isobutane,
2
une substance écologique non toxique, comme fluide frigorigène. Sa turbine radiale est conçue pour délivrer une puissance maximale de 4,3 MW, le générateur ayant une puissance nominale de 4,75 MVA. La possibilité de régler les buses des turbines garantit un rendement élevé même lorsque la température ambiante et le flux d’eau thermale varient. Le transfert de chaleur entre le circuit d’eau géothermale et le cycle
ORC est assuré par des échangeurs de chaleur. L’isobutane est à nouveau liquéfié à l’issue du processus
d’évaporation et de turbinage, en étant refroidi dans des condenseurs à air.
L’insertion de l’installation
dans le paysage et le respect
des prescriptions antibruit ont
fait l’objet d’une grande attention, notamment parce
que la centrale se trouve sur le
territoire d’une commune
voisine.
Les travaux aux alentours de
l’installation étaient encore en
cours en août 2015.
Les condenseurs à air se trouvent à l’arrière du bâtiment,
derrière le revêtement en bois
(voir aussi la fig. 7).
Figure 2: Centrale géothermique de la société Erdwärme Grünwald GmbH, implantée à Laufzorn, sur le territoire de la commune
d’Oberhaching.
À gauche, le puits de production. La pompe de dernière
génération qui y est fixée à une
profondeur de 730 mètres,
d’une longueur de 33 mètres,
délivre une puissance maximale de 1,35 MWél ou 1800 CV
et peut pomper jusqu’à
160 litres d’eau par seconde. À
droite, le puits d’injection, au
travers duquel l’eau refroidie
est restituée dans le calcaire du
Malm.
Figure 3: Centrale géothermique de Laufzorn, avec les puits de production et d’injection.
3
La centrale de chauffage
avec l’entrée et le retour
du réseau de chaleur à
distance, les réservoirs
compensateurs de pression
équipant le réseau (en bas
à droite) et les pompes
assurant la circulation de
l’eau dans le réseau (en
bas au milieu).
Les échangeurs de chaleur
se trouvent en bas à
gauche, hors du cadre de
l’image.
Ils extraient de l’énergie de
l’eau thermale pompée
pour la transférer dans le
réseau de chaleur à distance.
Figure 4: Vue de l’unité de chauffage de la centrale d’EWG.
Les pompes de circulation acheminent l’eau chaude à
l’entrée du réseau de chaleur à distance et retirent
l’eau froide à sa sortie pour la ramener vers le circuit
d’eau thermale.
Figure 5: Pompes de circulation de l’eau dans le réseau de chaleur à distance.
4
Le fluide caloporteur sous forme gazeuse passe par les
tuyaux situés au premier plan pour entrer dans les
condenseurs à air situés derrière le revêtement en
bois.
Ce gaz actionne une turbine radiale qui entraîne un
générateur produisant de l’électricité.
La turbine est conçue pour délivrer une puissance
maximale de 4,3 MW, le générateur ayant une puissance nominale de 4,75 MVA.
La citerne du milieu de l’image réceptionne le fluide
caloporteur – retourné à l’état liquide – et le processus d’évaporation-turbinage redémarre.
Figure 6: Partie de l’installation de production d’électricité (centrale ORC).
Les condenseurs à air servant à
liquéfier le fluide caloporteur
utilisé dans l’ORC se trouvent
derrière un revêtement en bois,
relativement près du sol.
Cette installation respecte les
seuils de bruit sévères édictés
par la préfecture de Munich et
par la commune
d’Oberhaching.
Figure 7: Partie de l’installation de production d’électricité, condenseurs à air vus du dessous.
5
Centrale géothermique de Grünwald – Chiffres et faits
Type d’installation
Profondeur des forages
Température de l’eau thermale
Débit
Longueur du réseau de chaleur à distance
(état en 2014)
Longueur du tronçon de liaison LaufzornUnterhaching
Centrale de chauffage redondante
Puissance thermique installée
Puissance électrique installée
Procédé de production d’électricité
6
Doublet hydrothermal
4083 mètres (puits de production)
4453 mètres (puits de réinjection)
128-130° C
140 litres/seconde
39 km (y compris la liaison avec
Unterhaching)
5,3 kilomètres
Chaudière à mazout
50 MW
4,5 MW
ORC (cycle organique de Rankine)
Kirchweidach – Des tomates et du paprika indigènes grâce à la géothermie
Dans une serre d’une superficie de près de douze hectares, l’horticulteur Josef Steiner produit tout au long
de l’année des tomates et du paprika qu’il écoule sur le marché local à raison de cinq millions de kilos par
an. Sa serre est chauffée à distance à partir de la centrale géothermique voisine de Kirchweidach et avec de
la chaleur récupérée au retour d’eau chaude dans le réseau de chaleur à distance de Kirchweidach. Une
installation au biogaz et une autre photovoltaïque destinée à la consommation d’électricité propre, posée
sur le toit de la halle de l’exploitation, viennent compléter ce mode écologique d’alimentation en énergie.
Un grand réservoir tampon d’eau chaude couvre les pics de demande de chaleur et pallie les brèves coupures de l’alimentation en chaleur. L’arrosage recourt à l’eau de pluie, recueillie sur la couverture de la
serre et collectée dans un bassin.
La production de tomates et de paprika exige une température constante de 18 à 22° C. Les serres de cette
taille sont généralement chauffées au gaz naturel ou au mazout. Le grand avantage de la géothermie réside
dans sa neutralité en termes de CO2. Le chauffage au gaz naturel occasionnerait des rejets annuels de CO2
de l’ordre de 8,4 millions de kilos. Ils atteindraient même 10,2 millions de kilos pour le chauffage au mazout.
Cette production locale de légumes, qui seraient sinon importés d’Espagne ou des Pays-Bas, permet
d’économiser en outre 300’000 kilomètres de camion par an.
La serre occupe une superficie
de 115’000 mètres carrés.
Le réservoir tampon d’eau
chaude, situé derrière le bâtiment blanc abritant
l’installation de chauffage,
couvre les pics de demande de
chaleur et pallie les brèves coupures de l’alimentation en chaleur.
Figure 8: Entreprise maraîchère Steiner à Kirchweidach.
7
Figure 9: Le maraîcher cultive des tomates ...
Figure 10: ... et du paprika, qu’il récolte de mi-mars à mi-novembre.
8
Figure 11: Les légumes bien mûrs fraîchement récoltés sont conditionnés directement sur place pour être vendus dans la région.
Figure 12: Intérieur du bâtiment abritant l’installation de chauffage de la serre, avec les échangeurs de chaleur au premier
plan.
9
Figure 13: Intérieur du bâtiment abritant l’installation de
chauffage de la serre, avec les pompes de circulation de
l’eau chaude délivrée à distance au premier plan.
La centrale géothermique de Kirchweidach est exploitée par la société Kirchweidacher Energie GmbH, fondée par la commune de Kirchweidach dans le but d’alimenter la population locale en chaleur à bon marché
d’origine écologique. Cette commune est actuellement équipée d’un réseau de chaleur à distance d’une
longueur de 24 kilomètres. L’entreprise maraîchère Steiner est la principale consommatrice de cette énergie
thermique renouvelable qui ne dégage pas de CO2. Une extension de la serre de douze à vingt hectares a
été lancée au mois de mai 2015. La société Kirchweidacher Energie GmbH a conclu jusqu’ici 345 contrats de
fourniture de chaleur à distance.
Le forage, d’une profondeur de 3800 mètres, a été réalisé entre le 19 novembre 2010 et le 2 décembre
2011. La température de l’eau est de 125° C et son débit atteint 105 litres par seconde.
Centrale géothermique de Kirchweidach – Chiffres et faits
Type d’installation
Profondeur du forage
Température de l’eau thermale
Débit
Consommateur principal de la chaleur
Deuxième source de chaleur
Longueur du réseau de chaleur à
distance
Centrale de chauffage redondante
Puissance thermique
10
Doublet hydrothermal (réseau de chaleur à
distance)
3800 mètres
125° C
105 litres/seconde
Entreprise maraîchère Steiner
Chaleur résiduelle d’une installation au biogaz
(puissance de 400 KW)
24 kilomètres
Chaudière à mazout
40 MW
Traunreut – De la chaleur et de l’électricité tirés du sol
Les forages liés à la centrale géothermique de Traunreut ont débuté en juillet 2011. Le premier a atteint
l’horizon visé du Malm à une profondeur supérieure à 5000 mètres en juillet 2012 et le second au début
mars 2013. Tous deux ont été déviés dans les zones de failles. Leur productivité, élevée, dépasse 150 litres
par seconde. La température de l’aquifère profond est en revanche plus basse que la moyenne. Elle s’est
avérée inférieure à 120° C dans les deux forages, ce qui correspond à un gradient géothermique de moins
de 30° C par kilomètre.
La construction du bâtiment destiné à héberger l’installation de transmission de chaleur à distance a débuté
en juin 2013, à l’issue de tests intensifs. La centrale d’alimentation et le circuit d’eau thermale ont été achevés en janvier 2014. Depuis le mois de février de la même année, de la chaleur est injectée dans le thermoréseau des services industriels de Traunreut. L’installation a une puissance thermique de 12 MW. La centrale géothermique fournit de la chaleur renouvelable à quelque 1500 ménages, à des installations publiques et à des entreprises de Traunreut.
De l’énergie, extraite de l’eau à environ 118° C dans des échangeurs de chaleur montés dans le bâtiment
principal de l’installation, est transmise dans le thermoréseau. L’eau thermale refroidie à environ 55° C est
restituée – en circuit fermé – dans la couche de calcaire en empruntant le deuxième forage (puits
d’injection).
La dernière phase du projet a consisté à ériger une centrale électrique ORC d’une puissance de 5 MW en
plus de la centrale thermique. Elle a commencé à délivrer du courant au mois de janvier 2016. Pour le produire, l’eau thermale est acheminée dans un échangeur de chaleur où elle transmet sa chaleur au fluide
caloporteur utilisé dans le cycle binaire de la centrale. Le fluide s’évapore, puis la vapeur est détendue dans
une turbine, qui entraîne un générateur d’électricité. Le fluide caloporteur, toujours sous forme gazeuse à
l’issue du turbinage, est liquéfié dans des condenseurs refroidis à l’air avant d’être renvoyé dans les évaporateurs pour réinitier un cycle.
Une fois que la tension obtenue dans le générateur a été amenée à la tension du réseau électrique (20 kV)
au moyen d’un transformateur, le courant est injecté dans le poste de commutation ouest d’E.ON
Bayern AG.
11
L’installation de distribution de
chaleur à distance de Traunreut
a été achevée en 2014.
Figure 14: Installation de distribution de chaleur à distance alimentée par la centrale géothermique de Traunreut.
Les échangeurs de chaleur disposés dans le bâtiment principal
servent à retirer de l’énergie de
l’eau thermale. L’eau injectée
dans le réseau de chaleur à distance de la ville de Traunreut a
une température de l’ordre de
100° C.
Figure 15: Échangeurs de chaleur disposés dans la centrale thermique.
12
Les distributeurs de chaleur à
distance constituent l’interface
entre l’installation géothermique et le thermoréseau de la
ville de Traunreut.
La pression et le débit de l’eau
sont surveillés en permanence
dans l’installation géothermique
de Traunreut.
Figure 16: Centrale thermique avec les distributeurs de chaleur à distance.
À gauche, le réservoir de fluide
caloporteur utilisé dans le cycle
ORC.
À droite, partiellement visible, le
bâtiment abritant la turbine.
Au centre, les échangeurs de
chaleur avec les évaporateurs
tubulaires.
Le fluide caloporteur utilisé dans
le cycle ORC circule dans les
tubes rouges.
Figure 17: Installation ORC produisant de l’électricité.
13
L’énergie calorifique contenue
dans l’eau thermale évapore le
fluide caloporteur utilisé dans le
circuit ORC.
L'électricité est produite par un
générateur entraîné par une
turbine à vapeur.
Le fluide caloporteur à l’état
gazeux est ensuite refroidi dans
les condenseurs à air, ce qui le
fait retourner à l’état liquide.
Figure 18: Condenseurs à air (en construction) équipant l’installation géothermique de Traunreut.
Centrale géothermique de Traunreut – Chiffres et faits
Type d’installation
Profondeur des forages
Température de l’eau thermale
Débit
Puissance thermique installée
Puissance électrique installée
Quantité de chaleur produite (en 2015)
Quantité d’électricité produite (attendue
en 2016)
14
Doublet hydrothermal (réseau de chaleur à distance)
4100 mètres (puits de production)
4050 mètres (puits de réinjection)
118° C
165 litres/seconde
12 MW
5 MW
20’349 MWh
34'000 MWh