Simulations d’exploitation des ressources géothermiques dans l’environnement minier
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Simulations d’exploitation des ressources géothermiques dans l’environnement minier
Jasmin Raymond, géo., Ph.D.
Jasmin Raymond, géo., Ph.D.
� Champ d’activité - Géothermie
� Chercheur Postdoctoral – ÉTSjasmin.raymond.1@ens.etsmtl.ca
� Consultant - HydroGeoProjraymond@hydro-geo.net
� Contactez-moi via les médias sociaux:
Remerciements
� René Therrien, ing., Ph.D.Génie géologique, Université Laval
� Louis Gosselin, ing., phys, Ph.D.Génie mécanique, Université Laval
� René Lefebvre, Ph.D.INRS Centre Eau Terre Environnement
� Steve Grasby, Ph.D.Commission géologique du Canada
Plan de la présentation
1. Introduction� Problématiques liées à la géothermie� Les avantages de l’environnement minier
2. Simulations d’exploitation des ressources� Mines Gaspé, Murdochville� La Halde Sud, Mine Doyon, Abitibi
3. Conclusion� La géothermie et l’environnement minier au Québec
1. Introduction - Les systèmes de pompes à chaleur géothermique
� Meilleure efficacité énergétique parmi tous les systèmes disponibles sur le marché (US EPA, 1993)
� Diminuent la consommation énergétique des bâtiments60-70 % chauffage30-40% climatisation
� Transfert d’énergie du sous-solvers le bâtiment ou l’inverse
Les types de pompes à chaleur géothermique
Aquifère Eau de surface Couplées au sol
Problématiques et axes de recherche
Problématique� Coûts d’installation élevés
� Longue période de retour sur l’investissement
Objectif de recherche� Réduire les coûts d’installation des systèmes
Un des axes de recherche à envisager est :� Caractérisation des environnements
géologiques favorables afin de faciliter la construction des systèmes
La géothermie & l’environnement minier
Peres Menezes, 2004ecu.edu.au pela-tenn.com
Eau souterraine Eau de surface Déchets miniers
� Ressources accessibles
� Possibilité de réduire les coûts d’installation des systèmes géothermiques
Ex : Conversion d’un ancien puits de ventilation d’une mine en puits à colonne verticale, Abitibi
Le puits� Dimensions en
surface9,75 m × 3,7 m
� Profondeur1 235 m
Températuremoyenne de l’eau� 11 °C
Évaluation des températures de production pour un système géothermique d’une capacité de 72,1 kW (20,5 tonnes)
�ChauffageInjection 3 °C - Pompage 6 °C
�ClimatisationInjection 25 °C - Pompage 20 °C
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
0 250
500
750
1000
1250
L (m)
T (°
C)
18.00
20.00
22.00
24.00
26.00
28.00
0 250
500
750
1000
1250
L (m)
T (°
C)
Ex : Conversion d’un ancien puits de ventilation d’une mine en puits à colonne verticale, Abitibi
2. Simulations d’exploitation des ressources
Cheniour, 2009
Halde Sud, Mine Doyon
+ + O2 ���� Chaleur
Les Mines Gaspé – Murdochville
murdochville.com
Population � 800 habitants
Historique� 1953 : Fondation de la
ville, exploitation Cu� 1999 : Fermeture des
Mines Gaspé� 2002 : Fermeture de la
Fonderie Gaspé� 2003 : Début de la
construction d’un premier parc éolien
Volume d’eau � 3,7 M m3
Gradient géothermique
� ~4-6°C en surface� 1,2 °C/100 m
Ressources � 61 000 GJ
� 10 914 barils maz.
Les Mines Gaspé – Murdochville
Charge annuelle
� Chau. -1 488 MWh
� Clim. 458 MWh
Système énergétique de quartier au parc industriel de Murdochville
Pointe mensuelle
� Chau. (janvier) : -268 MWh
� Clim. (juillet) : 88 MWh
Puits 1100
• Ancien puits de ventilation
• Diamètre 4,57 m
• Longueur ~375 m
• Inclinaison 75 °
• Débouche dans les galeries de la zone C à 220 et 365 m de profondeur
Puits PO-115
• 22 m à l’Est du 1100
• Profondeur 82,3 m
• Diamètre 15 cm
Puits PO-216
• 43 m au SSE du 1100
• Profondeur 100 m
• Diamètre 15 cm
Essai de pompage
Durée3 semaines
Débit1 000 GUSPM
Température6,7 °C
Optimisation du système avec simulationsnumériques - HydroGeoSphere
Calibration du modèle numérique
Charges hydrauliques dans la fosse du Mont Copper lors de l’ennoyage (2002-2009)
Rabattements et températures lors de l’essai
de pompage (2005)
Prédictions : extraction de chaleur au débit d’opération maximum
� Simulations effectuées sur une période de 50 ans
� Débit de pompage fixe� 1000 GUSMP � 1 MW (284 tonnes)
� Quantité d’extraction de chaleur variable� 2 × Charges� 3 × Charges (-4 344 MWh)� 4 × Charges
� Critères� Pompage (Out) ≥ 5 °C� Injection (In) ≥ 2 °C
murdochville.com
� Débit de pompage max. du système 1 000 GUSPM
� Coûts d’installation 750 000 $
� Économies annuelles 2 500 MWh175 000 $
murdochville.com res2.agr.ca
3dingenierie.com
Évaluation économique (Kwatroe Consultants)
Superficie
� 54,9 Hectares
Épaisseur maximum
� 35 m
Constituée de matériaux
granulaires (fragments de roc) en oxydation
FeS2 + 3,5O2 + H2O � Fe2+ + 2SO42- + 2H+ + 1443 kJ/mol
La Halde Sud de la Mine Doyon - Abitibi
Dans la halde
13 - 44 °C
Sous la halde
5 - 36 °C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
T(°C)
z(m
)
0
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0 10 20 30 40 50
T(°C)
z(m
)
Sous-sol
Non perturbé
Halde Sud
Forage BH-4
Température de la Halde Sud
Énergie moyenne
par unité de surface
� 3 055 MJ/m2
Énergie totale
� 1 700 000 GJ
300 000 barils maz.
L’énergie thermique de la Halde Sud
Test de réponse thermique à la Halde Sud
Méthode conventionnelle
� Injection de chaleurpar circulation d’eau réchauffée avec un élément électrique
Avec câbles chauffants
� Injection de chaleur le long des câbles
λstérile = 2.5 W/mK
Analyse de l’essai conventionnel dans la halde
λmort-terrain = 1.5 à 2.0 W/mK
λroc = 3.8 W/mK
Analyse de l’essai avec câbles chauffantssous la halde
Simulation numérique d’un système conventionnel vs. sous la halde - HydroGeoSphere
� Échangeur de chaleur (boucle fermée) de 98 m de long� Forage 6’’, tube en U 1¼’’� Ajustement des charges imposées au puits pour
obtenir des températures de production semblables en mode chauffage
Prédictions : température du fluide à la sortie de l’échangeur de chaleur
Système conventionnel
� Charges annuelles
� Chauffage -27 846 kWh
� Climatisation 17 977 kWh
� 13 forages pour un bâtiment 45 000 pi2/2 étages
Système sous la Halde Sud
� Charges annuelles
� Chauffage -40 222 kWh
� Climatisation 25 967 kWh
� 9 forages pour un bâtiment 45 000 pi2/2 étages
3. ConclusionL’environnement minier au Québec
165 Mines inactives
146 Bassins de rétention
55 Aires avec stériles acides
Les mines désaffectées
� Inventaire de la Commission géologique du Canada
� 165 sitesRessources géothermiques tot. 246 GWh
� Moyenne : 1.6 GWh
Grasby et coll., 2011
Sherbrooke
Endroits potentiels à développer
Rouyn-Noranda
� Attrayante pour des systèmes de grande envergure� Bâtiments commerciaux et
industriels� Systèmes énergétiques de quartier
� Réduire la consommationénergétique / Diversifier les sources d’approvisionnement
� En développement dans plusieurs pays (Pays-Bas, Allemagne, Angleterre, É-U)
� Au Québec, le potentiel est considérable
L’exploitation de l’énergie géothermique dans l’environnement minier
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