L`utilisation de la thermodynamique dans la

CM04 : Introduction aux procédés industriels
thermodynamique dans la
Automne 2010
L’utilisation de la
thermodynamique dans la
valorisation des énergies
renouvelables
Charline Dubois
Guillaume Preto
François Rabaud

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L’utilisation de la thermodynamique dans la valorisation des énergies renouvelables
thermodynamique dans la
Sommaire
1. L’utilisation de la thermodynamique dans la géothermie .............................................................. 5
1.1. L’énergie géothermique ............................................................................................................... 5
1.1.1. La Terre source de chaleur .................................................................................................... 5
1.1.2. Gradient géothermique et flux de chaleur ............................................................................ 5
1.1.3. Gisement en zone géologiquement stable............................................................................ 6
1.1.4. Gisement en zone géologique active .................................................................................... 6
1.2. Exploitation de la géothermie ...................................................................................................... 7
1.2.1. La production d’électricité à partir de la géothermie ........................................................... 8
1.2.2. Les usages thermiques liés à la géothermie ........................................................................ 10
1.3. Exemple de centrales géothermique ......................................................................................... 16
1.3.1. Centrale géothermique de Nesjavellir en Islande ............................................................... 16
1.4. Conclusion .................................................................................................................................. 18
2. La thermodynamique pour exploiter l’énergie solaire.................................................................. 19
2.1. Présentation de l’énergie solaire ............................................................................................... 19
2.1.1. Le Soleil : une énergie rayonnante ...................................................................................... 19
2.1.2. Comment se crée cette énergie ? ....................................................................................... 19
2.1.3. Caractéristiques de cette énergie ....................................................................................... 20
2.1.4. Différentes techniques d’utilisation de cette énergie ......................................................... 20
2.2. Les deux grands types d’utilisation de cette énergie ................................................................. 20
2.2.1. Production d’électricité : les centrales héliothermiques .................................................... 20
2.2.2. Production de chaleur : usages thermiques ........................................................................ 26
2.3. Application sur des exemples concrets ...................................................................................... 28
2.3.1. Une centrale solaire thermique avec capteurs cylindro paraboliques : Inditep ................. 28
2.4. Conclusion .................................................................................................................................. 29
3. L’utilisation de la thermodynamique dans la production du biogaz ............................................. 31
3.1. Qu’est-ce que le biogaz ? ........................................................................................................... 31
3.1.1. Comment fonctionne la méthanisation ? ............................................................................ 31
3.1.2. Température de méthanisation .......................................................................................... 32
3.1.3. Les différents types de substrats ......................................................................................... 32
3.1.4. Prétraitement ...................................................................................................................... 34

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L’utilisation de la thermodynamique dans la valorisation des énergies renouvelables
3.1.5. Les différents types de digesteur ........................................................................................ 34
3.1.6. Traitement du digestat ........................................................................................................ 35
3.1.7. Purification du gaz ............................................................................................................... 35
3.2. Valorisation du biogaz ................................................................................................................ 35
3.2.1. Intérêt de la cogénération ................................................................................................... 36
3.2.2. Critères de performance des installations de cogénération. .............................................. 37
3.2.3. Les différents systèmes de cogénération du biogaz ........................................................... 39
3.3. Exemple chiffré ........................................................................................................................... 41
3.3.1. Description du projet........................................................................................................... 41
3.3.2. Processus technique et programme énergétique ............................................................... 41
3.3.3. Coûts et rentabilité .............................................................................................................. 42
3.3.4. Résultats .............................................................................................................................. 42
3.4. Conclusion .................................................................................................................................. 43
Bibliographie ......................................................................................................................................... 45
ANNEXES ................................................................................................................................................ 46

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L’utilisation de la thermodynamique dans la valorisation des énergies renouvelables
Introduction générale
Aujourd’hui, environ 80% de l’énergie utilisée dans le monde provient de gisements de
combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) ou d’uranium. Toutes ces sources d’énergies sont en
quantités limitées : elles sont épuisables. De plus, les combustibles fossiles favorisent l’effet de serre
et le réchauffement climatique à cause du gaz carbonique (CO2) que leur combustion rejette dans
l’atmosphère. L’énergie nucléaire ne contribue pas à l’effet de serre mais elle est très controversée, à
cause notamment des craintes qu’inspirent la sécurité des centrales et du traitement difficile des
déchets nucléaires.
A l’inverse de ces énergies, il y a les énergies fournies par le Soleil, le vent, les marées ou par
la chaleur de la Terre : ce sont des énergies renouvelables. On peut également assimiler l’énergie
tirée des déchets à une énergie renouvelable si on considère que l’activité humaine est perpétuelle
est donc source de déchets sans cesse renouvelés.
Compte-tenu des aléas des prix du pétrole et de la conscience croissante des contraintes
environnementales actuelles, les recherches pour valoriser ces énergies sont de plus en plus
nombreuses car le contexte sociétal actuel est favorable à leur développement.
Les énergies renouvelables sont principalement utilisées pour produire de l’électricité et de
la chaleur. Il y a donc différents systèmes de valorisation qui font appel à des notions de
thermodynamique pour obtenir de l’électricité ou de la chaleur à partir du Soleil ou de la chaleur de
la Terre.
Ce rapport présente les procédés qui permettent d’obtenir de l’énergie à partir de trois
sources différentes : la chaleur de la Terre, les rayonnements du Soleil et les déchets, nous
insisterons sur les aspects thermodynamiques qui permettent de valoriser cette énergie pour
produire de l’électricité et de la chaleur.

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L’utilisation de la thermodynamique dans la valorisation des énergies renouvelables
1. L’utilisation de la thermodynamique dans la géothermie
1.1. L’énergie géothermique
1.1.1. La Terre source de chaleur
« La géothermie est l’utilisation de la chaleur naturelle de la Terre, en tant que source d’énergie
locale, concurrentielle, durable et acceptable du point de vue écologique et social, pour produire de
l’électricité et pour des applications directes de la chaleur. » (Sommet mondial de l’UNESCO, Paris
1993).
Sous l’appellation géothermie on rencontre différentes techniques et applications que nous
allons présenter, cependant on peut affirmer que la source de base de cette énergie est la chaleur
émise par la Terre.
Il est difficile d’obtenir des informations directes sur la
structure interne de la Terre, en particulier au niveau du noyau,
néanmoins l’étude des phénomènes de propagation des ondes nous
a permis de connaitre la structure de notre planète. Ces études ont
permis de mettre en évidence différentes couches au sein de la
Terre. Au centre, le noyau qui forme 17% du volume Terrestre.
Celui-ci a un rayon de l’ordre de 3470 km et sa température dépasse
4000°C. Ensuite, il y a le manteau qui lui, constitue 81% du volume
Terrestre et qui a une température variant entre 1000°C et 3000°C.
Pour finir, à la surface, il y a la croûte ou l’écorce qui est l’enveloppe
la plus superficielle et qui varie selon qu’il s’agisse de zones
continentales ou océaniques (zones continentales : épaisseur de 30
à 70 km et zone océanique : épaisseur de 5 à 20 km).
Contrairement à une idée reçue, l’essentiel de la chaleur utilisée dans la géothermie ne
provient pas du refroidissement du noyau, en effet, la zone intermédiaire entre la croûte et le noyau
est très mauvaise conductrice de la chaleur. Deux phénomènes principaux expliquent l’origine de la
chaleur dégagée par la Terre : la désintégration des éléments radioactifs contenus dans la roche de la
croûte et la dissipation de l’énergie dite « primitive ». La désintégration des éléments radioactifs
(uranium, thorium et le potassium) représente à elle seule plus de 90% de l’énergie émise par la
Terre. D’autre part, l’énergie primitive désigne la chaleur du noyau, dissipée vers la surface par
conduction à travers les masses solides et par convection à travers des milieux chauds et visqueux (le
magma).
1.1.2. Gradient géothermique et flux de chaleur
Afin de mettre en place une installation géothermique il faut connaitre deux caractéristiques
principales de la zone : le gradient géothermique et le flux de chaleur. Le gradient géothermique
mesure l’augmentation de la température en fonction de la profondeur. Il est en moyenne de 3°C par
100m en France mais à l’échelle mondiale il varie entre 1°C et 10°C par 100m. Ensuite, il y a le flux de
chaleur Terrestre ou couramment appelé flux thermique. Cette grandeur désigne l’énergie dissipée
par conduction par unité de surface et de temps.
Figure 1 : Schéma de la structure interne
du globe