Géothermie et stockage géologique du CO2

Étude physico-chimique des fluides produits par la
centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) et
des dépôts susceptibles de se former pendant leur
exploitation et leur réinjection dans le sous-sol
Christelle DIXIT
École doctorale de l’Université Antilles-Guyane
Laboratoire de Recherche en Géosciences et Énergies (EA 4098, UAG)
Encadrants: Sarra Gaspard (directrice de thèse), Marie -Lise Bernard et Bernard Sanjuan
Financeurs : ADEME – BRGM
3ème année
mardi 28 janvier 2014
Cadre de l’étude
>
Champ géothermique de Bouillante
•
•
Volcanisme récent (datant ~ 0,5 Ma).
Réseau de failles développé et connecté
 Production d’électricité : 15 MWe ~ 6%
de la consommation de l’île.
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>2
Contexte et Objectifs
Détermination de la composition chimique la plus
représentative des fluides de production de la
centrale géothermique de Bouillante  fluide très
riche en silice dissoute ~ 600 mg/l).
Précipitation de minéraux au cours du dégazage et
refroidissement du fluide géothermal  précipitation
de dépôts solides riches en silice, à la surface des
installations.
Principaux objectifs:
1. Étudier les mécanismes de formation et la cinétique de précipitation de la
silice, dans le contexte spécifique du site de Bouillante, afin de contrôler la
précipitation de la silice lors de la réinjection des fluides de production dans le
sous-sol et/ou de les valoriser (extraire le maximum de calories ou la silice).
2. Explorer des voies de valorisation de la silice géothermale.
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>3
Protocole : expériences sur site et sur fluide réel
Système de
refroidissement
Série d’expériences : effet du pH et de T
pH de travail: 4, 5, 6, 7, 8 et 9
⇒ Ajustement du pH: solutions HCl et NaOH
Température (fixée) : 25, 50, 75 et 90 °C
Point de prélèvement sur
le site de Bouillante
⇒ Maintien de T à l’aide d’un bain thermostaté
Mesure de la concentration en SiO2 dissoute par spectrométrie
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>4
Résultats : effet du pH à 25°C
 pH basique favorisant la
précipitation
Extraction pour valorisation
Échantillon de fluide à la fin d’une
expérience réalisée à pH 9.
 pH acide limitant la
précipitation
Exploitation et réinjection
Dépendance de la réaction vis-à-vis du pH :
• En milieu acide (pH 4-5): présence d’une période de transition puis
augmentation très lente de la masse de silice précipitée;
• En milieu basique (pH 8-9): absence de période de transition; une quantité
max est atteinte très rapidement (- 3h).
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>5
Interprétation des résultats
Modèle cinétique générale :
C: concentration en H4SiO4 à t donné (mg/l)
Ce: solubilité de SiO2 à T donnée (mg/l)
k: constante de vitesse (mol.m-2.s-1)
n : ordre de la réaction
As = S/V avec S la surface de la SiO2 et V, le
volume de solution
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>6
Application sur site
Détermination de l’énergie d’activation de la réaction de précipitation de la silice
entre 25 et 90 °C pour extrapolation à des températures supérieures qui
concernent l’exploitation de Bouillante (de 160 à 120°C).
 Prédiction des paramètres cinétiques à ces températures pour estimer le
temps que met la silice à précipiter.
 Les conditions optimales
déterminées
(Tmin,
pH)
seront testées par la suite
dans le cadre de la mise en
place d’un site pilote utilisant
une nouvelle turbine.
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>7
Valorisation de la silice géothermale
Production de silice géothermale : 400 tonnes d’eau résiduelle contenant
600 mg/l de SiO2 5 tonnes de gel de SiO2 par jour (formation immédiate à 25
°C) pure à 98 - 99%.
Propriétés de surface de la silice : présence des groupes SiOH, surface
spécifique et porosité élevées.
 Peut fixer et stocker les polluants présents dans l’eau
Mise au point d’adsorbants à base de silice pour la dépollution.
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>8
Conclusion
>
•
•
Étude de la cinétique de précipitation de la silice
Détermination de l’influence de la température et du pH sur la
cinétique de précipitation,
Calcul des paramètres cinétiques de la réaction, dans le contexte
spécifique de Bouillante,
↪ Détermination des conditions optimales (température et pH)
d’extraction des calories et de réinjection du fluide géothermal de
Bouillante.
>
Valorisation du gel de silice
•
Valorisation des eaux chaudes de Bouillante et exploitation d’un
co-produit de la production d’électricité,
↪ Exploration de la capacité d’adsorption de la silice pour la
dépollution des eaux contaminées.
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
>9
Axe III - 2ème année
>Evolution spatio-temporelle des phénomènes d’altération
hydrothermale HT en Guadeloupe et les relations altération
géothermale / propriété réservoir - Sylvain BRUZAC
> Diplôme avant thèse : Master MNE3 (Matériaux Naturels Eau Expertise
Environnementale) Université de Poitiers
> Ecole doctorale, laboratoire : ED Gay-Lussac, Laboratoire IC2MP, équipe
HydrASA, Poitiers
> Directeur(s) de thèse et encadrants : Patricia PATRIER (IC2MP), Chrystèle
VERATI (Géoazur, Nice), Vincent BOUCHOT (BRGM)
> Financeur(s) de la bourse doctorale : Cofinancement ADEME-BRGM
> Objectifs de la thèse :
-Reconstitution passée et actuelle de l’activité du champ géothermique
-Préciser l’organisation spatiale des manifestations hydrothermales à l’échelle
de Basse-Terre.
-Préciser l’impact des altérations hydrothermales sur les propriétés réservoir.
-Préciser les paléoconditions associées aux paragenèses
hydrothermales.
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
Etat d’avancement des travaux
> Résultats de l’étude minéralogique par DRX et
pétrographique sur lames minces
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>2
Etat d’avancement des travaux
> Analyses des éléments traces dans les échantillons
de la brèche hydrothermale d’Anse Marsolle
mardi 28 janvier 2014
>3
Axe III - 2ème année
Modèle conceptuel d’un réservoir de type EGS :
application au site géothermal de Soultz-Sous-Forêts
Mathilde Loubaud
> Diplôme avant thèse : Master II en Sciences de la Terre spécialité Génie
Géologique, Génie Civil et Environnement.
> Ecole doctorale, laboratoire : Ecole doctorale des Sciences Physiques et
de l’Ingénieur de l’Université Bordeaux 1, laboratoire I2M.
> Directrices de thèse : Joëlle Riss (Université Bordeaux 1) et Sylvie
Gentier (Direction des Géoressources, BRGM)
> Financeur de la bourse doctorale : BRGM
> Objectif de la thèse : qualifier les chemins de
circulations préférentiels possibles d’un réservoir
géothermique faillé à partir de modèles hydrauliques
de type DFN intégrant les données in situ de
l’exploitation et les connaissances géologiques locales
et régionales afin d’optimiser l’exploitation des EGS.
Direction des Géoressources, Division Géothermie
26 et 27 mars 2013
>
Un modèle hydraulique de réservoir géothermique
Un disque = un
faillé
segment de faille
perméable
 Les écoulements et le transport sont résolus
par le code 3Flo (©Itasca) dans un modèle de
type DFN qui consiste en la génération de
manière stochastique et/ou déterministe de
plans dans l’espace représentant les zones de
failles sur lesquels sont générés des réseaux
Modèle DFN (discret
de conduites 1D.
fracture network)
Les écoulements sont concentrés dans les zones de failles où ils peuvent être
chenalisés ou non.
Les propriétés géométriques (orientation, pendage, longueur, ouverture et
densité), hydrauliques (conductivité, emmagasinement) et de transport
(dispersivité et porosité) du réseau de failles introduites dans les modèles
s’appuient sur:
 les connaissances de l’histoire tectonique locale et régionale associée à
l’orogénèse hercynienne et à la mise en place du Fossé Rhénan
 les données in situ (signaux aux puits enregistrés par les tests hydrauliques et
des tests de traçage)
 la littérature plus spécifique à « l’hydraulique des failles »
(en complément à la littérature portant sur les réseaux de fractures)
Direction des Géoressources, Division Géothermie
26 et 27 mars 2013
>2
> Avancement des travaux de thèse
 Une première étape (en cours) consiste, sur la base
de modèles conceptuels (bibliographie) de zones de
faille, à réaliser des modèles hydrauliques de ces
zones afin de comprendre la complexité des
écoulements au sein de ces structures hydrauliques
de grande taille dans le but d’évaluer leurs
propriétés et réduire les incertitudes sur les
paramètres
hydrauliques
et
de
transport.
Préalablement, une étude paramétrique, en cours,
est menée à plus petite échelle, sur fracture simple,
élément constitutif des zones de failles.
Comportement hydraulique d’une
zone de faille (3FLO)
Un segment de faille perméable :
Milieu fracturé et/ou poreux
 Une seconde étape (en cours) consiste en la mise en œuvre de l’algorithme
d’optimisation global essaims de particules (PSO) pour résoudre (sans modèle à priori
ou avec modèle à priori) le problème inverse (collaboration dans le cadre d’une action
Carnot). L’objectif est d’obtenir l’ensemble des modèles possibles satisfaisant les
connaissances du site.
 Une troisième étape ( à venir) portera sur l’optimisation de l’exploitation du
réservoir à partir de modélisations hydro-thermiques sur la base
des modèles possibles.
Direction des Géoressources, Division Géothermie
26 et 27 mars 2013
2
>3
Axe III - 1ère année
Hydrodynamique du mélange diphasique CO2
supercritique – saumure dans un site de séquestration
hétérogène - Tri Dat NGO
> Diplôme avant thèse : Master M2 Recherche MSROE - Ecole des
Ponts ParisTech
> Ecole doctorale, laboratoire : MIPEGE 534 - LSCE
> Directeur(s) de thèse et encadrants : Emmanuel MOUCHE (LSCE) et
Pascal AUDIGANE (BRGM)
> Financeur(s) de la bourse doctorale : CEA - BRGM
> Objectif de la thèse :
Mise à l’échelle d’un modèle de propagation d’une bulle
de CO2 dans un réservoir hétérogène
Service EAU
mardi 28 janvier 2014
Axe III - 1ère année
Rôle des hétérogénéités spatiales dans
l'environnement d'un puits d'injection de CO2 : impact
sur l'intégrité. Irina Sin
> Master de Sciences et Technologies MSE, MINES ParisTech
> Ecole doctorale, laboratoire : ED Géosciences et Ressources Naturelles,
MINES ParisTech Centre de Géosciences/Equipe HR
> Directeur(s) de thèse et encadrants : Jérôme Corvisier, Vincent Lagneau
> Financeur(s) de la bourse doctorale : bourse école doctorale GRN MINES
ParisTech
> Objectif de la thèse :
> Développement d’un module d’écoulement bi-phasique pour Hytec
> Caractérisation des hétérogénéités (à partir d’expériences de l’Université
de Lorraine)
> Fabrication de modèles géochimiques réalistes
> Réalisation de simulations complètes
(+ inter-comparaison)
Journée des Doctorants
mardi 28 janvier 2014
Axe III - 3ème année
Impacts géochimiques et minéralogiques de la
présence d’O2 sur les roches de réservoir et de
couverture dans le cadre du stockage
géologique de CO2
Carole Langlais
UPPA - LaTEP
P. Cézac, F. Contamine, J-P. Serin, L. André,
M. Azaroual, E. Gaucher, C. Prinet, A. Buchard
Financeur(s) de la bourse doctorale : Chaire CTSC - TOTAL
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
Rappels des objectifs et principales étapes
> Un nouveau dispositif expérimental
•
Acquisition :
– de
donnés de solubilité dans des conditions de stockage du CO2
(T<150°C et P< 200 bar).
– de cinétiques de réaction du système triphasique (gaz-saumure-roche).
Bouteille
d’alimentation
en gaz
Moteur
d’agitation
Chromatographes
ioniques
Spectromètre
optique (ICP OES)
Chromatographie
phase gaz
 Implémentation
des résultats
expérimentaux dans
les simulateurs
industriels
Cellule
Bains
thermostatés
Capteur CO2
Pompe volumétrique
thermostatée
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>2
Rappels des objectifs et principales étapes
> Les analyses des trois phases :
Gaz
Gaz : tout au long des expériences
• chromatographie phase gaz en ligne (ratio
CO2-O2)
Solides
Liquide
Solides : avant et après chaque expérience
• microtomographie X (UPPA, LFC);
• diffraction
rayon
X,
fluorescence
microscopie électronique à balayage
cartographie aux rayons X (TOTAL).
X,
et
Liquide : tout au long des expériences.
• pHmètre sous pression;
• densimètre sous pression;
• chromatographies ioniques en ligne (anions et carbonates);
• couplage d’une chromatographie ionique (dissociation Fe(II) et Fe(III)) et d’une
spectrométrie optique d'émission plasma à couplage inductif.
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>3
Rappels des objectifs et principales étapes
> Validation du protocole expérimental :
•
Solubilité du CO2 dans l’eau pure à 25, 50 et 100°C (Pmax=60 bar) et
et à 150°C (Pmax=200 bar).
Solubilité CO2-H2O à 423 K
Calcul
d’incertitudes
par la méthode
ANOVA
(répétabilité et
reproductibilité
des
expériences) :
2.13%
Solubilité CO2 total (fraction molaire)
2.500E-02
2.000E-02
1.500E-02
cette étude
Shagiakhmetov and Tarzimanov, 1981
Takenouchi and Kennedy, 1965
1.000E-02
Zawisza and Malesinska, 1981
Malinin and Kurovskaya, 1975
5.000E-03
Drummond, 1981
Sako et al., 1991 (421 K)
0.000E+00
0
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
5
10
15
20
25
Pression totale (MPa)
>4
Rappels des objectifs et principales étapes
> Expériences sur le système CO2-H2O-NaCl :
•
•
Solubilité du CO2 dans une solution de NaCl à 1 mol/kg d’eau à 50 °C
(Pmax=200 bar).
Masse volumique de solutions de NaCl à 1 mol/kg saturées en CO2
ou en N2 à 50, 100 et 150°C (Pmax=200 bar).
masse volumique (g/cm3)
1.05
1.04
Yan et al., 2011 - 50°C CO2
1.03
Yan et al., 2011 - 100°C CO2
1.02
Yan et al., 2011 - 140 °C CO2
1.01
cette étude - 49°C N2
1
cette étude - 98°C N2
0.99
cette étude - 147.5°C N2
0.98
cette étude - 49°C CO2
0.97
cette étude - 98°C CO2
0.96
cette étude - 147.7°C CO2
0.95
0
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
5
10
Pression (MPa)
15
20
>5
Conclusions et perspectives
> Validation du pilote expérimental et des
analyses.
> Solubilité et masses volumiques du CO2 et
CO2-O2 dans des solutions de NaCl et de
mélanges de sel
> Réactivité saumure/roche/CO2 et CO2-O2
Nom du service émetteur
mardi 28 janvier 2014
>6