C9 - Ressources naturelles 2: Géoénergies et usage du sous-sol

Comment connaît-on l’existence de ces ressources?

À partir des exemples naturels à la surface

•       Chaleur = volcans, geysers, sources thermales

•       Pétrole = infiltrations, suintements

•       Charbon et bitume; Sel; Minerais = occurrences en surface

•       Gaz = émanations, p.ex. méthane à Delphes( Δελφοί ), Grèce

•       Nucléaire = exemple naturel(!) à Oklo, Gabon à source de neutron naturel et fission naturel

5 ressources fondamentales d’E

•       Fusion nucléaire (soleil)

•       Fission nucléaire

•       Energie de l’intérieur de la Terre

•       La gravité

•       Energie stockée par des liaisons

•       Chimiques

àNécessaire de consommer moins ! à ou chercher + profond, technologie, etc. mais NON

Moyens de (re)chercher des ressources

Géologie à identifier les types de roches contenant les ressources, savoir comment elles se forment et pourquoi (processus, paléo-environnement)

Méthodes géophysiques :

•       Imager les structures à sismique active, gravimétrie à Modèles 3D

•       Détecter les anomalies profondes à gravimétrie, méthodes électriques et/ou magnétiques, radiométrie (étude de la mesure de l’E transporté par les rayonnements)

•       Vérifier avec un forage à diagraphies (consiste à mesurer, à l’aide de différentes sondes, les caractéristiques des roches traversées

Incertitudes de modèles à connaissance incomplètes (intérieur de la Terre), variabilité naturelle (incertitudes aléatoire)

Extraction charbon

•       Importante ressource énergétique mondiale émettrice de CO 2

•       Reste de la matière organique issue de la végétation

•       Formation: anaérobie + enfouissement, T augmente, P augmente, H2 O, H, N, S sortent à >70% C = charbon

• Tourbe (précurseur)

• Lignite = charbon brun

• Charbon subbitumineux

• Charbon bitumineux

• Anthracite

• Graphite

• Diamant!

 

Extraction Hydrocarbure

•       Dépendance au pétrole et au gaz

•      Bcp de type d’hydrocarbures

•       Il sont trouvés sous forme de mélange à raffinage nécessaire

•       Ingrédients:

• Matière organique: C, H, O, N

• Plancton en mer

•       Formation: anaérobie + enfouissement

• Métabolisme des bactéries consomment N et O

• Ils dégradent la matière organique en kérogène

• Pyrolyse (craquage thermique): C et H se recombinent en hydrocarbures

•       4 éléments sont requis pour la création d’une réserve d’hydrocarbures:

• Une roche source («roche mère»)

• Un chemin de migration

• Une roche réservoir

• Un piège

•      De plus ces éléments doivent se développer dans un ordre donné

Réservoirs à hydrocarbures

Hydrogène blanc

•       L’hydrogène naturelle est le produit d’une réaction/altération chimique

•       Exemple: la serpentinisation:(cf image)

•       Comme les autres gaz,l’hydrogène migre dans les fissures:

• Failles

• Endroits perméables

•       Certains cercles de fées seraient des endroits de suintements d’hydrogène

Géothermie

Principe : Extraction de la chaleur par un agent qui peut la transporter à eau

Clés du succès : T et flux suffisamment importants !

Pls types de géothermie (cf image)

Géothermie hydrothermale à faible profondeur pour chauffage

Pour 1 maison, se fait grâce à pompes à chaleur et sondes géothermiques

-          Pompe à chaleur : comme frigo, on refroidit le sous-sol et on prends sa chaleur

Géothermie hydrothermale à faible profondeur pour chauffage → utilisation de la chaleur

Géothermie hydrothermale avec électricité

T + élevées donc présence de vapeur d’eau qu’on peut utiliser dans des turbines

a.      Détente de vapeur simple à 150-300°, vapeur humide sous P, émission d’air

b. Système de fluide binaire à 100à>300°, fluides difficile (salinité), circuits fermés,

Géothermie pétrothermale

T et flux imp (dans les roches) sauf que le flux est souvent freiné par la perméabilité des roches (flux trop faible)

EXP :« perméabilité = autoroute »

•       Si elle est fermée (ou n’existe pas), vous devez emprunter des petites routes

•       Roche plus perméable (aquifère): laisse passez du gaz dans les volcans, l’eau

pour la géothermie

•       Roche moins perméable (aquitard): ne laisse pas (ou très peu) passer gaz et

fluides; cette étanchéité utile pour le stockage de déchets sous-terrain

→ On calcul perméabilité avec loi de Darcy

Solution pour augmenter la perméabilité :

-          Fracturer la roche (fracking) et injecter de l’eau / produits chimiques pour dissoudre la roche

Pb !: fracking peut générer séismes induits à injections en pls pt pour limiter risques

-          Cisaillement hydraulique : par étapes

-          Tubes multiples

Pt + et - Géothermie

Offre et demande énergie et capacité annuelle

Stockage d’E (Gaz)

1.      Réservoirs naturels

2.       Mines abandonnées

3.      Corps de sel

4.      Aquifères

•       Souvent moins cher que d’en construire 

•       Fuites limitées avec le temps

•       Transports faisable (pipeline, bateau)

•       Utilisation selon la demande / le marché

Stockage d’énergie thermique

→ stockage saisonnier (été on chauffe un objet et on le met dans un endroit isolé, en hiver on le sort)

→ on se sert de l’eau car grande capacité calorifique

→ Endroit de stockage : Fosse imp. et isolée, réservoir souterrain, eau+gravier, aquifères

Hydrogène orange

Principe : ajouter eau à roche du sous-sol contenant du fer pour déclencher le serpentinisation (même réaction mais anthropogénique) à produit du dihdrogène

Défis :

•       Il faut trouver des roches mères en quantité suffisante  géologues

•       Réaction idéalement à 200-300°C  forage

•       Milieu fracturé / perméable nécessaire

•       Faisabilité industrielle reste à démontrer/réaliser  recherche en cours

• Source non-renouvelable!

Enfouissement des eaux usées

• Il reste des fluides dans l’industrie des hydrocarbures

• Intention: les enfouir bien en-dessous de la nappe phréatique

• Injection d’eau à sismicité induite

• Magnitude 5.8 en 2011 à Oklahoma, avec des dégâts!

• Facteurs clés:

• La vitesse d’injection

• Le volume injecté

• La perméabilité des roches cibles

• La profondeur (~ pression)

→ Déterminent les changements de contrainte

• La sismicité induite continue bien après la fin de l’injection!

Stockage des déchets radioactif

Déchets hautement radioactifs à vitrifiés à stockage temporaire à stockage en géologie profonde (200'000 ans pour que l’activité diminue à celle d’un granite)

Déchets moyenne/faible radioactivité à direct stockage en géologie profonde (30’000ans)

Choix région : Roche stable (granite), zone non sismique, zone étanche (argiles)

Séquestration du CO2

Enfouissement (réaction métamorphique à basse T) :

•       Dissoudre le CO2 dans l’eau à solution acide

•       Descente, car plus denseque les fluides naturels

•       Ca dissout les silicates et libère des cations (Ca2+, Mg2+, Fe2+)

•       Réaction avec le CO2 pour cristalliser des carbonates

• Température : 20-50-90-180-260°C

• Profondeur : selon gradient géothermique

• Roche cible : roches (ultra)mafiques: basalte, péridotite

• pH des fluides : 5.2-6.5

• Porosité à évaluer : typiquement faible

• Perméabilité : naturelle ou à créer?

• Durabilité : une fracture peut être remplie une fois…

Situation en suisse

Pays riche en minéraux mais sources trop petites

Sel : Bex → , Bâle → forages où on injecte de l’eau, le sel se dissous et on fait remonter l’eau salée

Eaux thermales : Sources dans les Alpes (orogène = sources), jusqu’à 70°C

Charbon : Peu, quelques tourbières

Hydrocarbures : Un peu par ci, par là, petites exploitations au 20^e siècle souvent pas + de 1 à 2 ans

Stockage déchets radioactifs : 1 dépôt, sera fermé en 2125

Géothermie : Conditions géologiques favorables (car flux de chaleur au-dessus de la moyenne)

Capacité (données 2023) :

• 2’389 MW de chaleur (8 e au monde)

• plus de 300’000 tonnes équivalents-pétrole

• 14 Mio TJ produit en 2023 (11e au monde)

• 0 MW d’électricité

Géothermie profonde : ressource prometteuse (bassin molassique)

Projet Haute-Sorne (JU)

-          2 forages d’abord verticaux puis horizontaux (en « L »)

-          4-5km de profondeur, sur socle cristallin : granite, gneiss

-          Site éloigné des failles pour éviter risques sismiques

-          Utilisation cisaillement hydraulique (pas de fracking) à hydro-shearing

Opposition à peur des éventuels séisme à lobbying et sabotage

Arguments contre :

-          Séismes

-          Prise d’eau à un endroit déjà en stresse hydrique