état de la recherche sur les échangeurs a contact direct appliqués aux centrales électriques ...

42 Pages·2008·1.15 MB·French

INSTITUT MIXTE DE RECHERCHES GÉOTHERMIQUES
BUREAU DE RECHERCHES AGENCE FRANÇAISE
GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES POUR LA MAÎTRISE DE L'ÉNERGIE
B.R.G.M. A.F.M.E.
B.P. 6009 27, rue Louis Vicat
45060 Orléans Cedex 75737 Paris
ÉTAT DE LA RECHERCHE
SUR LES ÉCHANGEURS A CONTACT DIRECT
APPLIQUÉS AUX CENTRALES ÉLECTRIQUES
GÉOTHERMIQUES A FLUIDE BINAIRE
par
J.L HONEGGER
SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL
INSTITUT MIXTE DE RECHERCHES GÉOTHERMIQUES
B.P. 6009 - 45060 Orléans Cedex (France) - Tél.: (38) 63.80.01
Rapport du B.R.G.M.
83 SGN 780 IRG
Novembre 1983
Réalisation : Département Applications Graphiques
PLAN
Pages
RESUME
I - INTRODUCTION 1
II - CARACTERISTIQUES DE LA RESSOURCE ET SYSTEMES DE VALORISATION . 2
III - LES ECHANGEURS THERMIQUES A CONTACT DIRECT EN GEOTHERMIE 5
1 - INTRODUCTION 5
2 - ETAT DE LA RECHERCHE SUR LES E.C.D. EN GEOTHERMIE 5
a - Le Préchauffeur 6
b - Le Bouilleur 7
c - Condenseur 9
IV - REALISATIONS PROTOTYPES DE CENTRALES GEOTHERMIQUE A E.C.D. ... 17
1 - CENTRALE DE 10 KW A EAST MESA 18
1.1 -E.C.D 20
1.2 - SEPARATEUR 20
1.3 - CONDENSEUR 22
1.4 - RESERVE DE FLUIDE SECONDAIRE 22
1.5 - POMPES 22
1.6 - SYSTEME THERMOMECANIQUE 23
1.7 - RESULTATS 23
2 - EXPERIENCE DE 500 KW A EAST MESA 25
3 - BOUCLE DE 100 KW REALISEE PAR ARKANSAS POWER
AND LIGHT (A.P.L.) 28
3.1 - INTRODUCTION 28
3.2 - DESCRIPTION 28
3.3 - RESULTATS DES ESSAIS 31
3.4 - REMARQUES ET CONCLUSION 33
a - au niveau de la boucle dans son ensemble 33
b - au niveau des différents éléments
constituant la boucle 34
V - CONCLUSION GENERALE 36
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ETAT DE LA RECHERCHE SUR LES ECHANGEURS A CONTACT DIRECT
APPLIQUES AUX CENTRALES ELECTRIQUES
GEOTHERMIQUES A FLUIDE BINAIRE
RESUME
Différentes recherches sur l'optimisation des cycles de conversion
énergétique en géothermie reposent sur l'utilisation des échangeurs thermiques
par contact direct. De tels échangeurs peuvent être employés au niveau de
1'evaporation et de la condensation du fluide de travail. Malgré la simplicité
du concept, de nombreuses variantes sont développées. Ce type d'échangeur pré-
sente des avantages certains par rapport aux échangeurs classiques en particu-
lier pour les transferts thermiques, mais ils présentent l'inconvénient de
permettre un transfert de masse entre le fluide de travail et le fluide calo-
porteur. Diverses études théoriques portant sur les aspects thermodynamiques
ainsi que la description de quelques prototypes de centrale sont présentés.
La nécessité de recherches dans ce domaine est telle que la C.E.E. a
décidé d'inscrire parmi les priorités à venir de la recherche en géothermie
celles qui concernent l'échange direct et les échangeurs à lits fluidisés.
Dans l'état actuel des expériences analysées, on peut conclure à
l'intérêt indéniable de l'échange direct à contre courant en surface. Celui-ci
serait considérablement renforcé par un échange direct complémentaire dans le
puits de production.
- INTRODUCTION
La conversion de l'énergie géothermique par la voie thermodynamique,
c'est-à-dire fonctionnant suivant un cycle fermé, moteur à evaporation détente
et condensation, répond à l'utilisation de ressources à moyenne enthalpie
(températures comprises entre 80 et 200° C). Le choix de tels cycles (Rankine)
et leur adéquation à la géothermie repose essentiellement sur deux facteurs :
- la fiabilité technique,
- la compétitivité du prix du kilowatt installé.
En fait, comme dans toute étude de recherche et développement, ces
deux facteurs sont liés : des systèmes de conversion énergétique très séduisants
du point de vue thermodynamique (ex : cycles binaires à multiflash) se révèlent
trop coûteux. D'un autre côté des systèmes classiques (ex : cycles binaires à
détente simple, avec échangeurs) sont souvent inadaptés à la ressource, princi-
palement en raison de l'emploi de pompes de pressurisation de la saumure dont le
fonctionnement devient "aléatoire" à ces températures, et surtout de l'encras-
sement de l'évaporateur qui réduit fortement les coefficients d'échange.
L'utilisation de ces systèmes de conversion énergétique, encore au
niveau de la recherche, passe par la conception d'échangeurs mieux adaptés à la
ressource.
Il - CARACTERISTIQUES DE LA RESSOURCE ET SYSTEMES DE VALORISATION
Différentes sociétés commercialisant des centrales électriques géo-
thermiques à fluide binaire sont présentes sur le marché international : Ormat
(Israël), Toshiba Mitsubishi (Japon), Alsthom (France)... Malgré leur excellente
technicité, leur bon fonctionnement reste lié à des caractéristiques de la
source géothermale assez limitatives, en particulier :
a - Des saumures dont l'équilibre chimique se situe suffisamment loin des
courbes de saturation des différents constituants pour que la chute de
température et de pression n1entraine pas de cristallisation.
b - Des Ph et Eh de saumure compris dans les normes d'utilisation d'al-
liages classiques pour maitriser la corrosion.
c - Une pression et une profondeur de réservoir telles que le puits soit
suffisamment artésien pour éviter des problèmes liés à la présence de
pompe d'exhaure dans le puits.
La variabilité géochimique de ces saumures est extrêmement importante.
Elle dépend à la fois de la géologie (roche et structure) du réservoir et aussi
de son type d'approvisionnement en eau et en quantité de chaleur (la température
de certains réservoirs géothermique semble provenir d'apport en gaz chauds (Co ,
2
H S...)). Le temps de résidence de la saumure dans le réservoir lui permet dans
2
la plupart des cas d'être en équilibre chimique avec l'encaissant, à la pression
et la température de celui-ci. On peut classer ces saumures en deux grandes
familles :
- les eaux carbogazeuses qui présentent une forte proportion de dioxide
de carbone dissout. Ces eaux sont neutres, Ph compris aux alentours de
7, mais leur Eh est très variable (-200, +200 mV).
- les eaux sulfurées alcalines, de Ph élevé (7,5 à 10) et très réduc-
trices (Eh : -600 -»• -300 mV).
Ces quelques données et les expériences réalisées montrent à quel
point les contraintes a et b sont réelles.
La contrainte c repose sur les caractéristiques physiques du réser-
voir. Le débit d'un puits géothermique est une fonction de la pression du
réservoir, de sa profondeur, mais aussi de sa transmissivité liée aux pertes de
charges hydrauliques où la porosité intervient ainsi que la géométrie de la
matrice solide. Aussi un réservoir important peut présenter des débits beaucoup
trop faibles pour permettre l'implantation d'une centrale : il devient néces-
saire d'utiliser des pompes d'exhaure pour valoriser cette ressource.
Les différentes réalisations de centrales à fluide binaire (réf. 1)
ont souvent du surmonter une ou plusieurs des conditions a, b, c.
Au niveau de la production de saumure, l'utilisation de pompes de fond
de puits, malgré leur faible fiabilité et les coûts de maintenance élevés, est
pratiquement générale. Pour ce qui est des problèmes d'ordre géochimique, ils
sont essentiellement localisés au niveau de l'échangeur primaire du cycle, et
sont liés aux dépôts ou à la corrosion. L'utilisation de titane, d'alliage
d'acier au carbone ou de cupro-nikel (90/10) (réf. 2) réduit ce risque mais
augmente l'investissement. Par contre, l'encrassement provoqué par les dépôts
entraine plus ou moins rapidement selon les concentrations une chute de rende-
ment des centrales. Différents remèdes sont envisagés :
- le pré-traitement de l'eau géothermique par des additifs empêchant la
cristallisation ou entrainant les particules formées,
- les techniques de nettoyage chimique ou mécanique,
- des technologies d'échangeur différentes de celles classiquement
utilisées (platulaire ou à tube et calandre).
Les deux premières solutions nécessitant une maintenance accrue, la
recherche s'oriente vers la troisième, c'est-à-dire la conception de nouveaux
type d'échangeur, et principalement :
- Les échangeurs à lits fluidisés qui sont constitués de tubes immergés
dans des lits de sable où passe la saumure. Ils ont le double avantage
d'augmenter le coefficient d'échange thermique et de supprimer l'ac-
cumulation de dépôt à l'extérieur des tubes par "sablage". Par contre
ces échangeurs nécessitent un investissement supplémentaire ainsi
qu'un renouvellement périodique des lits de sable (accumulation des
cristaux ou dépôts causés par la charge de la saumure).
- Les échangeurs à contact direct dans lesquel la paroi entre les deux
fluides est supprimée^ permettent leur mélange intime. Aussi le coef-
ficient d'échange thermique n'est plus affecté par l'encrassement des
parois séparatrices. Ces échangeurs^à première vue très performants,
imposent une séparation à la sortie entre les deux phases (liquide,
vapeur), puis une extraction des traces du fluide de travail dans le
rejet d'eau géothermique. Cette dernière opération est obligatoire,
malgré la très faible miscibilité des deux fluides (un des critères de
choix du fluide thermodynamique) pour ne pas avoir de pertes prohibi-
tives du fluide secondaire, en tenant compte des débits importants mis
en jeu.
Cette étude a pour but de recenser les quelques expériences interna-
tionales de l'application de l'échange direct à la géothermie. On remarquera que
la source de la recherche et de l'expérimentation dans ce domaine est presque
exclusivement américaine.
Il - LES ECHANGEURS THERMIQUES A CONTACT DIRECT EN GEOTHERMIE
1 - INTRODUCTION
Le concept de l'échange direct n'est pas nouveau. Il est à remarquer
qu'à la limite, tout échangeur est constitué d'un ou plusieurs E.C.D. (Echangeur
à Contact Direct) : un échangeur platulaire, liquide/liquide par exemple, n'est
autre qu'un couple d'E.C.D. de la forme liquide I/plaque, plaque/liquide II.
Mais par définition, l'E.C.D. est un échangeur de chaleur dans lequel aucune
séparation matérielle n'existe entre les deux fluides caloporteurs. On trouve en
géothermie un exemple classique d'E.C.D. : les condenseurs à jets des centrales
"haute énergie". La vapeur d'eau détendue dans la turbine est condensée en
passant sous un film d'eau froide dans un tube barométrique (ceci permettant
d'abaisser à quelques cm de mercure la contrepression). L'application de
l'E.C.D. à d'autres domaines fait l'objet de nombreuses recherches, en parti-
culier :
- la circulation de fluide caloporteur dans des sels en vue du stockage
thermique par chaleur latente, (réf. 3).
- la réalisation d'E.C.D. avec fluide intermédiaire avec ou sans chan-
gement de phase, (réf. 4).
- le dessalement de l'eau de mer. (réf. 5).
2 - ETAT DE LA RECHERCHE SUR LES E.C.D. EN GEOTHERMIE
Dans un cycle thermodynamique à fluide binaire utilisant des saumures
géothermiques comme source chaude, tous les échanges thermiques (au niveau du
préchauffeur, du bouilleur, du condenseur) peuvent se faire en contact direct à
condition que le fluide de travail ne soit pas miscible dans l'eau.
a - Le_Préçhauffeur
II a pour rôle de porter, à pression constante, la température du
fluide de travail à la limite du seuil de vaporisation. La faible conductivité
thermique des fluides de travail envisageables ne permet pas en général un
échange thermique suffisant en régime laminaire. Des dispositifs destinés à
augmenter la turbulence permettent d'optimiser le transfert thermique, mais ils
favorisent aussi le transfert de masse. En effet ce transfert, limité par une
cinétique de solubilisation et un temps de résidence faible est stimulé par
l'agitation, ce qui a une incidence directe sur les procédés de récupération du
fluide de travail. Ceci explique que les seuls préchauffeurs en E.C.D. déve-
loppés dans la littérature et sur site seront du type à contrecourant où le
fluide de travail est sous forme dispersée dans la phase continue de la saumure
géothermique.
Diverses configurations ont été envisagées :
fluide de
travail liauide
saumure
interface
mélange
diphasique
gouttes
saumure
refroidie"
fluide de
travail liquide "SPRAY 11 BAFFLE "PERFORATED "PACKED
TOWER " TOWER " PLATE TOWER" TOWER"
Fig. 1 - Le type "spray tower" est adopté dans la plupart des cas
pour sa simplicité et son efficacité (réf. 1).