Qu'est-ce que la géothermie, les systèmes de climatisation et l'avenir

L'énergie géothermique

Vous savez sûrement ce qu'est l'énergie géothermique en termes généraux, mais Connaissez-vous toutes les bases de cette énergie?

De manière très générale, nous disons que la géothermie est l'énergie thermique de l'intérieur de la Terre.

En d'autres termes, l'énergie géothermique est la seule ressource d'énergie renouvelable qui ne dérive pas du soleil.

De plus, on peut dire que cette énergie n'est pas une énergie renouvelable en tant que telle, car son renouvellement n'est pas infini, cependant est inépuisable à taille humaine, il est donc considéré comme renouvelable à des fins pratiques.

Origine de la chaleur à l'intérieur de la Terre

La principale cause de chaleur à l'intérieur de la Terre est la désintégration continue de certains éléments radioactifs comme l'uranium 238, le thorium 232 et le potassium 40.

Un autre des origines de la géothermie sont collisions de plaques tectoniques.

Dans certaines régions, cependant, la chaleur géothermique est plus concentrée, comme cela se produit à proximité de volcans, courants magmatiques, geysers et sources chaudes.

Utilisation de l'énergie géothermique

Cette énergie est utilisée depuis au moins 2.000 XNUMX ans.

Les Romains utilisaient les sources chaudes pour toilettes et, plus récemment, cette énergie a été utilisée pour la chauffage des bâtiments et des serres et pour la production d'électricité.

Il existe actuellement 3 types de gisements à partir desquels nous pouvons obtenir de l'énergie géothermique:

  • Réservoirs haute température
  • Réservoirs basse température
  • Réservoirs de roches chaudes sèches

Réservoirs haute température

On dit qu'il y a un dépôt de haute température lorsque l'eau du réservoir atteint températures supérieures à 100 ° C en raison de la présence d'une source de chaleur active.

Pour que la chaleur géothermique crée de l'énergie géothermique utilisable, les conditions géologiques doivent permettre de former un réservoir géothermique, similaires à ceux contenus dans le pétrole ou le gaz naturel, consistant en un roches perméables, grès ou calcaire par exemple, surmonté d'un couche imperméable, comme l'argile.

schéma haute température

L'eau souterraine chauffée par les roches passe dans une direction ascendante au réservoir, où ils restent piégés sous la couche imperméable.

Quand il y a des fissures dans ladite couche imperméable, la fuite de vapeur ou d'eau vers la surface est possible, se présentant sous la forme de sources chaudes ou de geysers.

Ces sources chaudes sont utilisées depuis l'Antiquité et peuvent facilement être utilisées pour le chauffage et les processus industriels.

bains thermaux

Bains romains de Bath

Réservoirs basse température

Les réservoirs à basse température sont ceux dans lesquels la température de l'eau, que nous allons utiliser, se trouve entre 60 et 100 ° C.

Dans ces gisements, la valeur du flux thermique est la valeur normale de la croûte terrestre, donc l'existence de 2 des conditions précédentes n'est pas nécessaire: existence d'une source de chaleur active et isolation du réservoir de fluide.

Schéma basse température

Seulement le présence d'un entrepôt à la profondeur appropriée pour qu'avec le gradient géothermique existant dans ladite zone, il y ait des températures qui rendent son exploitation économique.

Réservoirs de roches chaudes sèches

Le potentiel de la géothermie es mucho plus élevée si la chaleur est extraite des roches chaudes sèches, qui ne contiennent pas d'eau naturellement.

Ils sont à un température entre 250 et 300 ° C déjà un profondeur entre 2.000 3.000 et XNUMX XNUMX mètres.

Pour son exploitation, il est nécessaire de casser des roches chaudes sèches, de les rendre poreux.

Puis de l'eau froide est introduite de la surface à travers un tuyau, en le laissant passer à travers la roche chaude fracturée, de sorte qu'il se réchauffe et ensuite, la vapeur d'eau est extraite à travers un autre tuyau pour utiliser sa pression pour entraîner une turbine et produire de l'énergie électrique.

contour de la roche chaude

Le problème avec ce type d'exploitation est les techniques de fracturation des roches à une telle profondeur et de forage.

Bien que de nombreux progrès aient été réalisés dans ces domaines grâce aux techniques de forage pétrolier.

Géothermie à très basse température

Nous pouvons considérer le sous-sol à de petites profondeurs comme un source de chaleur à 15 ° C, totalement renouvelable et inépuisable.

Au moyen d'un système de collecte approprié et d'une pompe à chaleur, la chaleur peut être transférée de cette source à 15 ° C à un système qui atteint 50 ° C, et ce dernier peut être utilisé pour chauffer et obtenir de l'eau chaude sanitaire pour une utilisation dans la maison.

En outre, la même pompe à chaleur peut absorber la chaleur de l'environnement à 40 ° C et la livrer au sous-sol avec le même système de captagePar conséquent, le système qui peut résoudre le chauffage domestique peut également résoudre le refroidissement, c'est-à-dire que la maison dispose d'une seule installation pour sa climatisation intégrée.

Le principal inconvénient de ce type d'énergie est la besoin d'une très grande surface d'enfouissement du circuit extérieurCependant, son principal avantage est le pPossibilité de l'utiliser comme système de chauffage et de refroidissement à un coût très bas.

Dans le diagramme suivant, vous pouvez voir différentes façons de capter ou de transférer la chaleur au sol pour une utilisation ultérieure dans le chauffage, le refroidissement et l'obtention d'ECS (eau chaude sanitaire). J'expliquerai la procédure ci-dessous.

Schéma du système HVAC

Climatisation d'une maison, d'un immeuble, d'un hôpital, etc. Peut être atteint individuellement, car il ne nécessite pas de gros investissements pour le système, contrairement aux installations géothermiques à haute et moyenne température.

Ce système d'exploitation de l'énergie solaire absorbée par la surface de la Terre repose sur 3 éléments principaux:

  1. Bombe de chaleur
  2. Circuit d'échange avec la terre
    1. Échange de chaleur avec les eaux de surface
    2. Échange avec le sol
  3. Circuit d'échange avec la maison

Pompe à chaleur

La pompe à chaleur est une machine thermodynamique qui est basé sur le cycle de Carnot effectué par un gaz.

Cette machine absorbe la chaleur d'une source pour la livrer à une autre à une température plus élevée.

L'exemple le plus typique est celui des réfrigérateursCeux-ci ont une machine qui extrait la chaleur de l'intérieur et l'expulse vers l'extérieur, qui est à une température plus élevée.

D'autres exemples de pompes à chaleur sont les climatiseurs et les climatiseurs pour les maisons et les automobiles.

Dans ce schéma, vous pouvez voir que le L'ampoule froide absorbe la chaleur du sol dans un échange et le liquide qui circule dans le circuit d'ampoule froide absorbe la chaleur jusqu'à ce qu'elle s'évapore.

schéma de pompe à chaleur

Le circuit qui transporte l'eau avec la chaleur du sol se refroidit et retourne au sol, la récupération de la température du sol est très rapide.

Par contre, l'ampoule chaude, à l'intérieur de la maison, chauffe l'air en lui donnant de la chaleur.

La pompe à chaleur «pompe» la chaleur de l'ampoule froide vers l'ampoule chaude.

Rendement (énergie fournie / énergie absorbée) cela dépend de la température de la source fournissant la chaleur évaporée.

Systèmes de climatisation conventionnels absorber la chaleur de l'atmosphère, qui en hiver peut atteindre températures ci-dessous -2 ° C

À ces températures, l'évaporateur ne peut capturer pratiquement aucune chaleur et le les performances de la pompe sont très faibles.

En été, quand il fait plus chaud, la pompe doit céder la chaleur de l'atmosphère qui peut être à 40 ° C, avec quoi le les performances ne sont pas aussi bonnes que vous pourriez vous y attendre.

Toutefois, le système de captage géothermique, en ayant une source pour température constante, les performances sont toujours optimales quelles que soient les conditions de température atmosphérique. Ce système est donc beaucoup plus efficace qu'une pompe à chaleur conventionnelle.

Échanger des circuits avec la Terre

Échange de chaleur avec les eaux de surface

Ce système est basé sur mettre l'eau en contact thermique provenant d'une source de surface avec l'évaporateur / condenseur, selon les besoins, pour l'absorption ou le transfert de chaleur vers lesdites eaux.

Avantage: présente est qu'il a un faible coût

Inconvénient:  il n'y a pas toujours de source d'eau disponible.

Échange avec le sol

cette peut être direct lorsque l'échange entre le sol et l'évaporateur / condenseur de la pompe à chaleur est réalisé au moyen d'un tuyau en cuivre enterré.

Pour une maison, entre 100 et 150 mètres de tuyau peuvent être nécessaires.

  • Avantages: faible coût, simplicité et bonnes performances.
  • Inconvénients: possibilité de fuites de gaz et de gel des zones du terrain.

Ou aussi peut être un circuit auxiliaire lorsqu'il a un ensemble de tuyaux enterrés, à travers lesquels l'eau circule, qui à son tour échange de la chaleur avec l'évaporateur / condenseur.

Pour une maison, entre 100 et 200 mètres de tuyau peuvent être nécessaires.

  • Avantages: basse pression dans le circuit évitant ainsi de grandes différences de température
  • Inconvénients: coût élevé.

Échange de circuits avec la maison

Ces circuits peut être avec un échange direct ou avec une distribution d'eau chaude et froide.

Échange direct Il est basé sur la circulation d'un flux d'air sur la surface de l'évaporateur / condenseur sur le côté de la maison pour l'échange de chaleur et la distribution de cet air chaud / froid dans toute la maison, à travers des tuyaux isolés thermiquement.

Avec un système de distribution unique, la distribution du chaud et du froid dans la maison est résolue.

  • Avantages: ils ont généralement un faible coût et beaucoup de simplicité.
  • Inconvénients: faible performance, confort modéré et ne s'applique qu'aux maisons nouvellement construites ou équipées d'un système de chauffage par convection d'air.

Le système de distribution d'eau chaude et froide il est basé sur la circulation d'un flux d'eau sur la surface de l'évaporateur / condenseur sur le côté de la maison pour l'échange de chaleur.

L'eau est généralement refroidie à 10 ° C en été et chauffée à 45 ° C en hiver pour être utilisée comme moyen de climatisation.

Le chauffage par le sol est la méthode la plus performante et la plus confortable pour résoudre le chauffage, cependant, il ne peut pas être utilisé pour le refroidissement, donc si cette méthode ou celle des radiateurs à eau chaude est utilisée, un autre système devra être installé pour pouvoir utiliser le refroidissement.

  • Avantages: confort et performances très élevés.
  • Inconvénients: coût élevé.

Performance des systèmes de climatisation

Efficacité énergétique d'un système de climatisation utilisant comme source de chaleur le sous-sol à 15 ° C est au moins de 400% en chauffage et 500% en refroidissement.

Quand ça chauffe il y a seulement une contribution d'énergie électrique de 25% de l'énergie totale requise. Et lorsqu'il est utilisé pour refroidir, les performances sont plus du double de celles d'une pompe à chaleur échangeant de l'air à 40 degrés, donc dans ce cas, il y a aussi un économie d'énergie de plus de 50% par rapport à un climatiseur conventionnel.

Cela signifie que pour pomper du pôle froid au pôle chaud 4 unités d'énergie (par exemple 4 calories), une seule unité d'énergie est nécessaire.

En réfrigération, pour 5 unités pompées, 1 unité est nécessaire pour les pomper.

Ceci est possible puisque ne génère pas toute la chaleurMais la plupart d'entre eux ne sont transférés que d'une source à une autre.

Les unités d'énergie que nous fournissons à la pompe à chaleur sont sous forme d'énergie électrique, donc fondamentalement, nous produisons du CO2 dans l'usine de production d'énergie électrique, bien qu'en quantité beaucoup moins élevée.

Cependant, nous pourrions utiliser des pompes à chaleur non électriques, mais leur source d'énergie était le solaire thermique mais ils sont encore en phase expérimentale.

Si nous comparons ce système à un système de chauffage à captage d'énergie solaire à travers des panneaux, nous pouvons voir que présente un grand avantageComme ne nécessite pas de gros accumulateurs pour compenser les heures de manque de rayonnement solaire.

Le grand accumulateur est la propre masse de la Terre cela nous fait avoir une source d'énergie à température constante, qui dans le cadre de cette application se comporte comme infinie.

Performance

Cependant, celui qui fait La meilleure option pour utiliser cette source d'énergie est de la combiner avec l'énergie solaire thermique., de ne pas déplacer la pompe à chaleur comme mentionné ci-dessus (qui aussi) mais pour ajouter de la chaleur au système, étant donné que dans les applications de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire, l'eau peut être portée à 15 ° C en utilisant l'énergie géothermique pour plus tard, augmenter la température de l'eau grâce à l'énergie solaire.

Dans ce cas, l'efficacité de la pompe à chaleur augmente de façon exponentielle.

Distribution d'énergie géothermique

La géothermie est répandue sur toute la planète, en particulier sous forme de roches chaudes sèches, mais il y a des zones dans lesquelles il s'étend peut-être sur 10% de la surface de la planète et ils ont des conditions spéciales pour développer ce type d'énergie.

Je veux dire le zones dans lequel plus manifestes les effets des tremblements de terre et des volcans et qui, en général, coïncident avec failles tectoniques important

carte de l'énergie géothermique

Parmi eux:

  • La côte pacifique du continent américain, de l'Alaska au Chili.
  • Le Pacifique occidental, de la Nouvelle-Zélande, en passant par les Philippines et l'Indonésie, jusqu'au sud de la Chine et au Japon.
  • La vallée de dislocation du Kenya, de l'Ouganda, du Zaïre et de l'Éthiopie.
  • Les environs de la Méditerranée.

Avantages et inconvénients de la géothermie

Cette énergie, comme tout ce qui existe, a ses bonnes parties aussi bien que ses mauvaises parties.

Comme avantage on peut dire ça:

  • Il est distribué sur toute la planète.
  • Les sources géothermiques les plus économiques se trouvent dans le zones volcaniques situés pour la plupart dans les pays en développement, qui peuvent être très utile pour améliorer votre situation.
  • C'est un source d'énergie inépuisable à taille humaine.
  • Est l'énergie moins cher c'est connu.

Leur d'inconvénients au contraire, ils sont:

  • L'utilisation de l'énergie géothermique présente certains problèmes environnementaux, en particulier, dégagement de gaz sulfureux dans l'atmosphère, avec rejets d'eau chaude dans les rivières, qui contiennent souvent un niveau élevé de solides.

Bien qu'en général, les eaux usées puissent être réinjectées dans la terre, après avoir extrait, dans certains cas, des sels de potassium commercialement utilisables.

  • En général, la transmission de la chaleur géothermique sur de longues distances n'est pas possible. De l'eau chaude ou de la vapeur doit être utilisée à proximité de sa source, avant qu'elle ne refroidisse.
  • La plupart des eaux géothermiques se trouvent températures inférieures à 150 ° C donc en général, il ne fait pas assez chaud pour la production d'électricité.

Ces eaux ne peuvent être utilisées que pour la baignade, le chauffage des bâtiments et des serres et des cultures en plein air, ou comme eau préchauffée pour les chaudières.

  • Les les réservoirs de roches chaudes sèches sont de courte duréeAu fur et à mesure que les surfaces fissurées refroidissent rapidement, leur efficacité énergétique diminue rapidement.
  • Les les coûts d'installation sont très élevés.

L'avenir de la géothermie

Jusqu'à présent, seules les perforations et extraire la chaleur à des profondeurs d'environ 3 km, bien qu'il devrait pouvoir atteindre des profondeurs plus importantes, avec lesquelles l'énergie géothermique pourrait être utilisée plus largement.

L'énergie totale disponiblesous forme d'eau chaude, de vapeur ou de roches chaudes, jusqu'à une profondeur de 10 km, approches 3.1017 tep. 30 millions de fois la consommation énergétique mondiale actuelle. Ce qui indique que la géothermie peut être une alternative intéressante à court terme.

Les techniques perfectionnées de valorisation des ressources géothermiques sont très proches de celles utilisées dans le secteur pétrolier. Cependant, depuis la teneur énergétique de l'eau à 300 ° C est mille fois inférieure à celle du pétrole, le capital peut être économiquement investi dans l'exploration et le forage l'est beaucoup moins.

Cependant, les pénuries de pétrole peuvent alimenter l'utilisation croissante de l'énergie géothermique.

Processus industriel

D'un autre côté, il a toujours été possible de utilisation de sources géothermiques pour la production d'électricité dans des turbogénérateurs de taille moyenne (10-100 MW) situé près des sites de puits, mais la température géothermique minimale utilisable pour la production d'électricité était de 150 ° C.

Dernièrement des turbines sans pales ont été développées pour l'eau géothermique et la vapeur jusqu'à 100 ° C seulement, ce qui permet d'élargir le champ d'utilisation de cette énergie.

En outre, peut être utilisé dans les processus industriels comme le traitement des métaux, le chauffage de procédés industriels de toutes sortes, le chauffage de serres, etc.

Mais probablement le plus grand avenir de la géothermie réside dans l'utilisation de l'énergie géothermique à très basse température, en raison de sa polyvalence, de sa simplicité, de son faible coût économique et environnemental et de la possibilité de utilisez-le comme système de chauffage et de refroidissement.


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