Géothermie de la roche super chaude

Qu'est-ce que la géothermie de roche super chaude et quels sont ses avantages ?

L'énergie géothermique des roches très chaudes est une nouvelle source d'énergie transformatrice, sans carbone et toujours disponible, qui pourrait être utilisée pour l'électricité, la chaleur, la production d'hydrogène et l'énergie des processus industriels. Elle a le potentiel d'être économiquement compétitive par rapport à la plupart des autres sources d'énergie sans carbone et pourrait être déployée rapidement dans une grande partie du monde. Elle pourrait potentiellement réalimenter ou remplacer de nombreuses installations existantes utilisant des combustibles fossiles et renforcer la sécurité énergétique en fournissant une source d'énergie locale, le tout avec une empreinte environnementale relativement faible.

energie superhot rock est une forme d'énergie géothermique, une source de "charge de base" constante et répartissable. Contrairement à d'autres ressources énergétiques renouvelables, l'énergie géothermique est disponible en permanence et ne nécessite pas l'utilisation d'une batterie de stockage, ni l'utilisation d'une source d'énergie de base telle que les combustibles fossiles. Grâce à la technologie du forage profond, nous pourrions accéder à l'énergie géothermique des roches très chaudes dans le monde entier, ce qui améliorerait l'accès à l'énergie, l'équité énergétique et la sécurité énergétique.

Qu'est-ce que l'énergie géothermique et comment fonctionne-t-elle ?

L'énergie géothermique exploite l'énergie qui se trouve sous nos pieds. L'intérieur de notre planète contient de la chaleur naturelle, qui se propage par conduction et convection jusqu'à la surface de la Terre. Dans les régions "à faible profondeur", où la chaleur est concentrée près de la surface, comme en Italie, en Turquie ou dans l'ouest des États-Unis, l'énergie géothermique conventionnelle, ou hydrothermique, fonctionne en forant dans des réservoirs d'eau souterraine chauffée et en ramenant la vapeur à la surface pour fournir de l'eau chaude pour chauffer les bâtiments et faire tourner des turbines pour produire de l'électricité. Lorsque la chaleur est profonde, l'accès à l'eau chaude nécessite un forage plus profond dans la croûte terrestre. Dans de nombreuses régions, la chaleur existe sans source d'eau. Dans ces régions, l'eau peut être envoyée vers le bas pour circuler dans la roche chaude. La chaleur transforme l'eau en vapeur, qui est ensuite ramenée à la surface. De nombreuses innovations émergentes cherchent à exploiter ces régions pour le chauffage, le refroidissement et la production d'électricité.

En quoi l'énergie géothermique des roches très chaudes diffère-t-elle de l'énergie géothermique conventionnelle ?

L'énergie géothermique conventionnelle est produite à partir d'eaux souterraines naturellement chauffées à proximité de la surface et à des températures généralement comprises entre 150 et 200 °C. L'énergie géothermique des roches très chaudes sera produite en forant dans des roches plus chaudes à des profondeurs plus importantes (>400°C), en injectant et en faisant circuler de l'eau dans la roche pour la chauffer à des températures très élevées, puis en la pompant à la surface jusqu'à une centrale de production. Si l'innovation en matière de forage profond est couronnée de succès, l'énergie géothermique des roches très chaudes pourra être produite partout dans le monde et ne sera pas limitée aux régions où la chaleur est peu profonde et où les eaux souterraines sont abondantes.

L'eau à plus de 400 °C est à l'état "superchaud" (supercritique), c'est-à-dire qu'elle est beaucoup plus dense en énergie et peut circuler plus efficacement que l'eau à plus basse température. Ces propriétés permettront aux systèmes géothermiques à roche superchaude de produire, selon les estimations, 5 à 10 fois plus d'énergie que les systèmes géothermiques conventionnels, ce qui leur permettra d'être compétitifs par rapport aux coûts actuels de l'énergie. Ce potentiel énergétique élevé a été démontré en Islande, où le puits de forage Krafla du projet Iceland Deep Drilling a produit de l'eau très chaude à 452 °C et un potentiel de production d'énergie estimé à 36 mégawatts (MWe). À titre de comparaison, un projet géothermique conventionnel produit environ 7 à 8 MWe par puits.

Bien que l'homme utilise l'énergie géothermique depuis plus de 100 ans (depuis 1904 en Toscane, en Italie), ce n'est que récemment que les progrès technologiques ont rendu possible l'exploitation géothermique de roches très chaudes. En 2018, il n'y avait que 15 GW d'énergie géothermique conventionnelle dans le monde et la géothermie représentait moins de 0,5 % de la production totale d'électricité dans le monde. En raison de sa capacité énergétique nettement supérieure et de son potentiel "géothermique partout", la géothermie des roches très chaudes peut constituer une source d'énergie beaucoup plus importante, potentiellement à l'échelle du térawatt.

Où peut-on développer l'énergie géothermique des roches très chaudes ?

Les températures requises pour créer des roches géothermiques très chaudes ont déjà été atteintes dans des régions où la chaleur terrestre est proche de la surface, telles que l'Islande, l'Italie, la Turquie ou l'ouest des États-Unis. Cependant, les roches très chaudes peuvent être déployées à l'échelle mondiale, presque partout dans le monde. Pour que la géothermie soit présente partout, il faudra des technologies de forage innovantes capables d'atteindre de manière rentable des ressources de roches très chaudes à des profondeurs allant jusqu'à 15 km (alors que les méthodes de forage actuelles permettent d'atteindre des profondeurs de 7 km). Plusieurs entreprises travaillent actuellement à repousser les limites du forage actuel, et les innovations nécessaires sont des innovations d'ingénierie plutôt que des percées scientifiques majeures.

Consultez la carte du projet de roches superhot.

Combien coûtera la production d'énergie géothermique à partir de roches très chaudes ?

Clean Air Task Force a demandé à Hot Rock Energy Research Organization (HERO) et à LucidCatalyst d'estimer le coût nivelé de l'énergie pour les futures centrales électriques à roches super-chaudes matures (" nième du genre "). Le coût énergétique nivelé (LCOE) est une mesure standard dans l'industrie de l'énergie qui est utilisée pour comparer le coût des sources d'énergie. Il est calculé en divisant le coût de la vie d'une centrale électrique par l'énergie totale produite par cette centrale. Les résultats suggèrent que la roche super-chaude mature sera compétitive à 20-35 $ par MWh, par rapport à 40 $ par MWh, le prix actuel de l'électricité sur le marché américain.

La géothermie ultra-profonde émet-elle du CO₂ ?

La chaleur de la terre est une source d'énergie sans carbone. Contrairement aux combustibles fossiles, aucun dioxyde de carbone (CO₂) n'est directement émis lors de la production d'énergie dans les roches sèches. Les roches très chaudes présentent également un avantage par rapport aux systèmes géothermiques hydrothermaux commerciaux, qui exploitent des fluides hydrothermaux contenant parfois du dioxyde de carbone. Étant donné que la géothermie des roches superchaudes fonctionne dans des roches chaudes et sèches, qui ont très peu de chances de contenir du CO₂ libre, elle est envisagée comme une forme d'énergie entièrement exempte de carbone.

L'énergie géothermique des roches très chaudes est-elle renouvelable ou risque-t-elle d'épuiser la chaleur de la Terre ?

L'exploitation géothermique des roches très chaudes ne risque pas d'épuiser la chaleur de la Terre. À l'échelle humaine, l'énergie géothermique des roches très chaudes est inépuisable, c'est la ressource renouvelable par excellence. Selon une estimation, 0,1 % de la chaleur de la Terre pourrait répondre aux besoins énergétiques de notre planète pendant 2 millions d'années. Les scientifiques prévoient que la Terre continuera à produire de la chaleur géothermique pendant des milliards d'années, et la quantité d'énergie nécessaire à l'homme est minime par rapport à l'énergie produite. L'utilisation de la géothermie par l'homme n'affectera pas la chaleur de la Terre de manière significative.

Comment la géothermie des roches très chaudes peut-elle contribuer à la production d'hydrogène ?

La géothermie des roches très chaudes est bien adaptée à la production d'hydrogène à faible teneur en carbone, qui peut être utilisé pour décarboniser des secteurs difficiles à abattre tels que les transports lourds et l'industrie. De nombreux facteurs font que la géothermie des roches superchaudes et la production d'hydrogène s'accordent bien.

Tout d'abord, la chaleur et l'énergie intenses générées par les roches très chaudes pourraient être utilisées pour la production d'hydrogène. La géothermie des roches très chaudes génère de l'électricité, qui peut être utilisée pour produire de l'hydrogène par électrolyse à haute température. La vapeur surchauffée pourrait augmenter l'efficacité de la production d'hydrogène par électrolyse dans les électrolyseurs à oxyde solide.

En outre, la géothermie des roches très chaudes est une source d'énergie inépuisable et ferme, qui fonctionne 24 heures sur 24, indépendamment des conditions météorologiques ou d'autres facteurs externes. Ce profil de production d'énergie est ce dont les usines d'hydrogène ont besoin pour fonctionner 24 heures sur 24.

Une prochaine analyse de Lucid Catalyst réalisée pour Clean Air Task Force estime que energie superhot rock pourrait produire de l'hydrogène à un coût compétitif, bien que la production d'hydrogène à partir de roches géothermiques superchaudes doive encore être démontrée.

L'énergie géothermique des roches superchaudes est-elle la même chose que l'énergie géothermique supercritique ?

"Supercritique" est un terme technique qui désigne l'eau dont la chaleur est égale ou supérieure à 400°C et dont la pression est égale ou supérieure à 22 MPa. "Superchaud" est un terme moins technique qui désigne l'eau dont la température est égale ou supérieure à environ 400°C, quelle que soit la pression, ainsi que d'autres fluides très chauds.

Que sont les systèmes géothermiques techniques (EGS) et les systèmes de roches chaudes sèches, et quel est leur rapport avec les systèmes géothermiques de roches superchaudes ?

L'énergie géothermique nécessite généralement une source de chaleur (roche), de l'eau et une roche perméable afin que l'eau puisse circuler à travers elle et absorber la chaleur. Dans les systèmes géothermiques où la roche chaude ne contient pas de source naturelle d'eau et de perméabilité, la perméabilité doit être créée. Les systèmes géothermiques d'ingénierie (EGS) sont des systèmes géothermiques qui n'utilisent pas d'eau hydrothermale naturelle. Ils ont également été appelés "systèmes de roches chaudes sèches".

La géothermie sur roches très chaudes est un sous-ensemble de l'EGS qui permet d'accéder à des températures beaucoup plus élevées (supérieures à 400°C) que celles auxquelles l'EGS a toujours eu accès. "La géothermie des roches très chaudes à contact direct consiste à pomper de l'eau dans un tuyau dans la roche chaude, où elle circule à travers de minuscules fractures dans la roche pour absorber la chaleur, puis remonte dans un second tuyau jusqu'à la surface. Une alternative à la circulation de l'eau dans les fractures pourrait être les systèmes d'injection en circuit fermé, qui chauffent l'eau à l'intérieur de conduits ou de tuyaux forés en profondeur dans la roche chaude.

Comment accélérer le développement de la géothermie ultra-profonde ?

Des innovations essentielles sont nécessaires pour permettre le déploiement à grande échelle de l'énergie géothermique des roches très chaudes. Il s'agit notamment de développer des outils qui fonctionnent dans les conditions extrêmes des roches très chaudes, de nouveaux matériaux de construction de puits, de nouvelles méthodes conçues pour fonctionner dans la chaleur profonde, de nouvelles méthodes de forage ultra-profond et de nouvelles méthodes de création de réservoirs. Bien que techniquement difficiles, ces avancées sont réalisables et pourraient être développées relativement rapidement grâce à un financement agressif, comme cela a été le cas pour de nombreuses autres technologies énergétiques.

Un programme intensif de forage et de développement des ressources mené par des consortiums bien financés pourrait apporter les connaissances et l'innovation nécessaires au développement et à la commercialisation rapide des roches très chaudes dans le monde entier. L'utilisation de l'expertise du sous-sol et des ressources en capital de l'industrie pétrolière et gazière pourrait accélérer le développement rapide des systèmes géothermiques de roches très chaudes.

Les besoins réglementaires mondiaux et la dotation en personnel technique des agences doivent être anticipés dès le début afin de fournir une feuille de route aux promoteurs de projets géothermiques sur roches très chaudes, tout en donnant confiance aux décideurs politiques et au public que ces projets seront sûrs et respectueux de l'environnement.

Quelles sont les technologies de forage avancées en cours de développement ?

Le forage profond dans la roche dure entraîne l'usure rapide des trépans. Les innovations émergentes telles que le forage au marteau, le forage hybride PDC/particules et le forage à énergie sans contact résolvent ce problème en trouvant d'autres façons de forer.

• Le forage au plasma, tel que la foreuse Plasmabit en cours de développement par GA Drilling, fonctionne en émettant un flux de plasma - une énergie thermique extrême formée lorsque les électrons sont arrachés aux atomes à l'aide d'un courant électrique à haute tension.
• Le forage à ondes millimétriques vaporise la roche et est en cours de développement par Quaise à Houston, TX, en collaboration avec Oak Ridge National Laboratory.
• Il a été prouvé que le trépan PDC augmentait le taux de pénétration et réduisait les temps de forage de manière significative dans la roche cristalline de FORGE.
• Parmi les autres technologies en développement, citons le forage hybride PDC/particules, le forage par projectile, le forage hybride par laser et le forage par marteau-piqueur.

Quelles sont les prochaines étapes de la commercialisation des technologies des roches très chaudes ?

De nombreux projets de forage ont été réalisés dans des roches très chaudes. L'Islande et l'Italie ont toutes deux accueilli des projets internationaux de R&D et d'autres démonstrations pilotes sont en cours de planification dans des régions du monde où les conditions d'hyperchaleur sont proches de la surface. Une fois que ces démonstrations pilotes auront réussi à produire de l'eau superchaude dense en énergie à la surface et, en fin de compte, à créer de l'électricité, l'étape suivante consistera à faire la démonstration de la géothermie sur roche superchaude à l'échelle commerciale (par exemple, plus de 100 MW) dans des endroits présentant un large éventail de géologies et de profondeurs à chauffer. La dernière étape consistera à développer la géothermie des roches très chaudes en vue d'une commercialisation à l'échelle mondiale.

Chacune de ces étapes impliquera un apprentissage par la pratique considérable et s'appuiera également sur la recherche en laboratoire concernant la création de réservoirs, le forage et l'infrastructure de surface. Des investissements publics et privés seront nécessaires aux premiers stades de la commercialisation afin d'encourager les campagnes de forage et de favoriser la pollinisation croisée entre les projets internationaux. En fin de compte, la commercialisation de la géothermie sur roches très chaudes nécessitera des ressources de la part de l'industrie géothermique, des gouvernements, des laboratoires nationaux, des institutions universitaires et de l'industrie énergétique existante.