Les microturbines de forage améliorent l’efficacité des systèmes géothermiques

Les microturbines de forage améliorent l'efficacité des systèmes géothermiques

La turbine de micro-forage avec un trépan au diamant ne mesure que 10 centimètres de long et a un diamètre de 3,6 centimètres. Lors du perçage, il tourne jusqu’à 80 000 tours par minute. Crédit : Fraunhofer-Gesellschaft

Les systèmes géothermiques deviennent une source de plus en plus importante d’énergie propre et surtout compatible avec la charge de base. Mais les puits, qui peuvent atteindre plusieurs milliers de mètres de profondeur, sont risqués, et les choses peuvent parfois mal tourner. Les scientifiques de Fraunhofer ont maintenant développé un outil innovant qui permet de forer des branches supplémentaires hors du puits principal. Cela diminue le risque de forage à sec et améliore le rendement.

La géothermie est une source d’énergie inépuisable. L’eau chaude des réservoirs, des fissures et des fissures peut être trouvée profondément dans la croûte terrestre, qui fait environ 30 kilomètres d’épaisseur. L’eau à une profondeur de 5000 mètres est déjà chaude à 200 °C. Dans les applications géothermiques, il est pompé à l’aide d’un puits de production. Cette eau peut ensuite être utilisée pour alimenter des turbines à vapeur pour produire de l’électricité ou pour chauffer des bâtiments via des systèmes de pompe à chaleur. L’eau refroidie retourne dans la croûte terrestre via un deuxième puits, le puits d’injection, où elle se réchauffe à nouveau dans la roche chaude. C’est un cycle complet. Cette énergie renouvelable peut jouer un rôle important dans la lutte contre le changement climatique.

Mais les puits, qui atteignent plusieurs milliers de mètres de profondeur, entraînent à la fois des coûts et des risques importants. Le risque de se tromper et de ne rien trouver (ce que les experts appellent le risque d’exploration) est d’environ 30 %. C’est ce que les experts de l’Institut de recherche Fraunhofer pour les infrastructures énergétiques et les systèmes géothermiques IEG de Bochum veulent changer. Leur idée est d’utiliser une mini-foreuse pour perforer la zone autour du trou de forage dans un rayon de 50 mètres et de relier hydrauliquement les fissures et fractures remplies d’eau environnantes au trou de forage. Cela ouvre la voie à l’eau de s’écouler dans le puits de production d’où elle peut être pompée.

Les microturbines de forage améliorent l'efficacité des systèmes géothermiques

Simple et fiable : le patin de renvoi en tôle d’acier guide l’outil de perçage vers l’extérieur selon un angle de 45 degrés. Crédit : Fraunhofer-Gesellschaft

Des forages secondaires explorent les environs

La technologie de forage par microturbine (MTD) a été développée par Niklas Geißler, qui effectue des recherches au Fraunhofer IEG à Bochum et au Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC en Suède. « Les puits qui atteignent plusieurs kilomètres dans la croûte terrestre coûtent des millions d’euros. Des branches supplémentaires du puits principal utilisant le MTD augmentent le bassin versant d’eau chaude et le risque d’exploration diminue considérablement », explique Geißler.

La clé de MTD est une turbine de micro-forage compacte équipée d’un foret spécial. Il est très petit, mesurant seulement 3,6 centimètres de diamètre et 10 centimètres de longueur. La microturbine est reliée à un tuyau à haute pression, à travers lequel elle est alimentée par jusqu’à 200 litres d’eau par minute à une pression d’entrée d’environ 100 bars, ce qui fait tourner le foret. Le trépan se compose d’une matrice de carbure de tungstène avec des grains de diamant incorporés et broie dans la roche jusqu’à 80 000 rotations par minute. Par conséquent, il est particulièrement adapté aux roches dures et cristallines comme le granit. De plus, il est également capable de percer l’acier. C’est important car les puits sont généralement recouverts d’un tubage en acier pour une meilleure stabilité. Sans changer d’outil de forage, le MTD peut d’abord forer le tubage en acier puis la roche en une seule étape. « Nous pouvons forer de deux à trois mètres en une heure. L’eau qui alimente la microturbine sert à la fois de liquide de refroidissement, de sorte que la perceuse ne chauffe pas trop, et rince également le trou pour éliminer les déblais de forage », explique Geißler. Il y a eu des technologies similaires utilisant de l’eau sous pression dans le passé, comme le forage à jet radial. Cependant, jusqu’à présent, seule la roche tendre pouvait être forée à l’aide de ces technologies. Pour l’énergie géothermique en particulier, une méthode est nécessaire pour forer à travers la roche dure dans laquelle se trouvent souvent des réservoirs géothermiques.

L’un des défis du processus est de dévier la turbine de micro-forage hors du puits principal et de l’enfoncer dans la roche environnante à un angle de travail relativement important. C’est pourquoi les chercheurs de l’IEG ont développé un dispositif de déviation spécial. À l’aide de ce « sabot déflecteur », l’outil compact peut être guidé hors du puits principal à un angle d’environ 45 degrés. Ainsi, l’outil de forage ouvre de nouvelles fissures et fissures avec de l’eau chaude autour du puits principal. L’utilisation de la pression hydraulique signifie que lorsque l’eau est pompée, l’eau s’écoule des fissures et des fissures dans le puits principal.

« Au cours des derniers mois, nous avons démontré avec succès la technologie dans une preuve de concept au laboratoire souterrain de Bedretto (BUL) en Suisse, près du tunnel du Saint-Gothard. Le processus est déjà très stable et fiable », s’est enthousiasmé Geißler.

Les microturbines de forage améliorent l'efficacité des systèmes géothermiques

Vue d’un bras latéral fraîchement percé à 346 mètres. La turbine de micro-forage a fraisé proprement la roche de granit. Crédit : Fraunhofer-Gesellschaft

Enregistrements audio des bruits de forage

L’importance de la question a également été remarquée par les politiciens. Depuis mars 2021, le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Énergie a financé le projet à hauteur de plus de 430 000 euros. Pendant ce temps, les chercheurs de Fraunhofer IEG ont fait avancer le projet. L’étape suivante consiste à enregistrer les bruits de forage. Le son de la micro turbine de forage, dont les pales émettent un motif d’impulsion caractéristique pendant la rotation, peut également servir de référence acoustique pour l’analyse. En analysant les enregistrements audio, il est possible de déterminer si la perceuse tourne à la bonne vitesse, est bloquée ou même fonctionne à sec. Le bruit est transmis sous forme de bruit solidien aux tuyaux en acier et enregistré à la surface.

La technologie n’est pas seulement utile pour les applications géothermiques. « En général, le MTD peut être utilisé dans tout forage profond où il est important d’explorer la zone environnante d’un puits avec des types de roches potentiellement hétérogènes, comme pour l’industrie pétrolière et gazière. Dans les domaines de la géotechnologie ou de la construction de tunnels, par exemple , cette technologie de micro-perçage peut être utilisée pour percer des trous d’ancrage dans des zones difficiles d’accès où la quantité d’espace disponible empêche l’utilisation d’équipements conventionnels », explique Geißler.

Cependant, une application principale de la technologie, pour laquelle une demande de brevet a été déposée en 2020, est certainement l’extraction d’énergie géothermique. Les experts estiment que le nombre de centrales géothermiques en Europe va doubler au cours des cinq à huit prochaines années. Le forage par microturbine du Fraunhofer IEG peut jouer un rôle important en rendant les puits de production moins risqués, moins coûteux et encore plus efficaces.


Nouvelle vision des fractures profondes des roches pour l’énergie géothermique


Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft

Citation: Les microturbines de forage améliorent l’efficacité des systèmes géothermiques (2022, 3 janvier) récupéré le 3 janvier 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-01-micro-drilling-turbines-efficiency-geothermal.html

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