Simulations d’exploitation des ressources géothermiques dans l’environnement minier Jasmin Raymond, géo., Ph.D.
Jun 22, 2015
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 – É[email protected]
� Consultant - [email protected]
� 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
10
20
30
40
50
60
70
80
90
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110
120
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