12. L'eau, fluide caloporteur, source d'énergie et de refroidissement
p. 182-183
Texte intégral
1Un fluide caloporteur est un fluide qui transporte la chaleur entre deux ou plusieurs sources de température. Ces fluides sont utilisés dans de nombreux systèmes, à différentes échelles intégrant des échangeurs de chaleur : les systèmes de refroidissement des moteurs thermiques, les réfrigérateurs, les chaudières, les capteurs solaires thermiques, les centrales électriques thermiques ou nucléaires… Les « fluides caloporteurs » peuvent être des gaz, des fluides organiques, des métaux liquides ou de l’eau. Selon les utilisations, ils sont choisis en fonction des quantités nécessaires et de leurs propriétés physico-chimiques, leur conductivité thermique, leurs propriétés anticorrosives, leur coût et leur impact sur l’environnement. L'eau est l'un des plus utilisés en raison de sa capacité thermique élevée (3 fois plus élevée que l’iso-pentane et 1,2 fois plus élevée que l’eau glycolée à 46 %), de sa grande conductibilité thermique (6 fois plus élevée que l’isopentane et 1,5 fois plus élevée que l’eau glycolée* à 46 %) et de sa relativement faible viscosité*. (5 fois plus élevée que l’iso-pentane mais 3,5 fois plus faible que l’eau glycolée à 46 %). L’eau présente en quantité dans la nature est un fluide caloporteur largement utilisé à des fins énergétiques. Il constitue en tant que tel une source d’énergie et une source de refroidissement naturelle (géothermie et stockage géothermique) ou artificielle (production d’énergie électrique, réseaux de chaleur, systèmes de refroidissement, climatisation).
L’eau, source d’énergie
2L'énergie géothermique est exploitée pour disposer d'eau chaude depuis des millénaires. Cette source d’énergie, due à la chaleur contenue dans la croûte terrestre, chauffe l’eau présente naturellement dans les roches en profondeur (cf. III.10). L’eau produite est, la plupart du temps, utilisée comme source de chaleur de base, avec une température variant de 70°C pour un usage direct via un réseau de chaleur urbain (figure 1), jusqu’à 10°C dans le cas d’utilisation de pompes à chaleur pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire d’une maison individuelle ou de petits bâtiments collectifs.
3Lorsque la température de la roche est élevée, au-delà de 150°C, l’eau peut être utilisée directement pour produire de l’électricité, soit directement à partir de la vapeur générée, soit par détente d’un fluide dit « de travail » (eau douce ou fluide organique), auquel le fluide géothermal cède ses calories par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur. Le fluide de travail se trouve dans un circuit fermé, qui nécessite d’être lui-même condensé au contact d’un circuit d’eau de refroidissement, et enfin renvoyé à l’échangeur de chaleur pour effectuer un nouveau cycle.
L’eau, source de refroidissement
4Pour condenser la vapeur à la sortie des turbines, avant son retour vers le générateur de vapeur, les centrales géothermiques, thermiques et nucléaires ont besoin d’une source froide (figure 2). L’eau de refroidissement est captée dans une rivière en amont de la centrale ou dans la mer, puis renvoyée réchauffée de quelques degrés Celsius dans le milieu naturel, ou bien stockée dans un circuit de refroidissement, où elle est partiellement évaporée lors de son passage dans des systèmes aéroréfrigérant. Cette source froide peut être aussi l’air extérieur.
5L’eau qui entre dans une centrale électrique doit avoir un niveau de pureté qui dépend du circuit dans lequel elle est utilisée. Celle qui en sort doit aussi disposer des qualités compatibles avec le respect de la réglementation.
Le stockage géothermique
6La notion de stockage géologique de chaleur ou de froid dans le sous-sol désigne une diversité de techniques et tend à équilibrer les énergies injectées et puisées suivant des cycles périodiques. Ces stockages nécessitent d’avoir une ressource thermique excédentaire (eau chaude solaire captée en été, chaleur fatale* d'installations industrielles…) associée à une demande d’énergie déphasée dans le temps par rapport à cette ressource (comme des besoins de chaleur en hiver) et à un contexte géologique et hydrogéologique favorable pour le stockage souterrain d’énergie.
7Le cycle d’échange thermique est dit en « boucle fermée » pour les procédés qui font circuler, dans des tubes souterrains étanches, un fluide caloporteur comme de l’eau glycolée*, dont la température d’entrée est différente de celle du sous-sol, afin d’échanger par diffusion de l’énergie avec ce dernier. Le volume souterrain exploité est situé à proximité directe des échangeurs et l’énergie y est alternativement injectée puis collectée. Le cycle d’échange thermique sera dit en « boucle ouverte » pour les procédés qui visent à injecter de l’eau réchauffée ou refroidie dans un aquifère pour la récupérer ultérieurement. Cependant, les conditions hydrogéologiques sont trop rarement favorables, du moins en France, pour que cette solution de stockage se développe aisément.
Bibliographie
Références bibliographiques
• P. DUVAL et R. SAMIE – L’eau pour l’électricité, IFPEN, http://ifpenergiesnouvelles.fr/index.php/content/download/70602/1513768/version/2/file/Panorama2011_12-VF_Eau-Electricite.pdf, 2011.
• ADEME – Le savoir-faire français dans le domaine de la géothermie. Réseaux de chaleur et production d’électricité, http://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/84912_savoir-faire_francais_geothermie_vf.pdf.
• CETE de l'Ouest – Les réseaux de froid, http://www.ouest.cerema.fr/IMG/pdf/Reseaux_de_froid_cle173abe.pdf.
Auteur
Géotechnicienne, Chercheuse au BRGM, Responsable « Ressources et usages du sous-sol », BRGM, Paris, p. 182.
s.gentier@brgm.fr
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Sophie A. de Beaune et Henri-Paul Francfort (dir.)
2012