INSTITUT MIXTE DE RECHERCHES GÉOTHERMIQUES

BUREAU DE RECHERCHESGÉOLOGIQUES ET MINIÈRES

B.R.G.M.B.P. 6009

45060 Orléans Cedex

AGENCE FRANÇAISEPOUR LA MAÎTRISE DE L'ÉNERGIE

A.F.M.E.27, rue Louis Vicat

75737 Paris

ÉTAT DE LA RECHERCHESUR LES ÉCHANGEURS A CONTACT DIRECTAPPLIQUÉS 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 (Co2,

H2S...)). Le temps de résidence de la saumure dans le réservoir lui permet dans

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 liauidesaumure

interface

mélangediphasique

gouttes

saumurerefroidie"

fluide detravail liquide "SPRAY

TOWER "

11 BAFFLETOWER "

"PERFORATED "PACKEDPLATE TOWER" TOWER"

Fig. 1 - Le type "spray tower" est adopté dans la plupart des caspour sa simplicité et son efficacité (réf. 1).

b - Le Bouilleur

A l'entrée du bouilleur le fluide de travail et toujours liquide mais

à sa limite de vaporisation ; il est alors porté à ebullition dans celui-ci par

transfert d'une quantité de chaleur légèrement supérieure à sa chaleur latente

de vaporisation. Bien que des recherches aient été faites sur des bouilleurs

E.C.D. à surface, ce sont les bouilleurs volumétriques, encore de type "spray

tower" qui se sont imposés. La phase dispersée est toujours le fluide de tra-

vail, mais sous forme liquide/gaz en augmentant le titre en vapeur au cours du

passage dans la phase continue.

Ce type de bouilleur a été proposé par Sideman (1) en vue du dessa-

lement d'eau de mer. Des expérimentations avec le pentane comme fluide de

travail ont montré un coefficient d'échange thermique de 230 KW/m3 °C, Blair (1)

avec un appareillage similaire a expérimenté un fréon, le R 113, pour connaitre

1'in_fluence de l'utilisation d'un fluide de travail plus dense que la phase

continue. Pour limiter l'entrainement de gouttes de R 113 par l'eau, le coef-

ficient volumétrique d'échange thermique a alors été limité à = 80 KW/m3 °C. Les

expérimentations montrent que la vaporisation presque totale du fluide de

travail peut s'effectuer dans une colonne de petite taille, et qu'aucune goutte

liquide de ce "fluide" ne peut sortir du bouilleur tant que la température de

sortie de la phase continue dépasse de 5° C sa température de saturation (à la

pression du bouilleur).

Pour le dimensionnement du bouilleur en vue d'une utilisation optimale

de la puissance thermique disponible, il est nécessaire de déterminer l'écart

maximum entre les débits de l'eau et du fluide de travail. Avec le choix du

fluide de travail^ la pression du bouilleur devient la caractéristique princi-

pale.

Un calcul simplifié d'équilibre énergétique (l'évolution du système

dans le bouilleur est adiabatique et le coefficient d'échange thermique volu-

mique est supposé connu) permet de vérifier que le gaz ainsi que la vapeur d'eau

sortent dans des conditions de saturation.

5 10 15

pression (bars)

25

Fig 2 - (réf. 1)

La figure 2 permet d'évaluer la valeur relative des débits d'eau

géothermale et de différents fluides de travail en fonction de la pression de

l'E.C.D. pour une saumure à 143°C.

c - Condenseur

La présence d'un E.C.D., au niveau de la source chaude, transforme le

cycle de Rankine réel, totalement clos, en un cycle setni ouvert si on tient

compte des pertes par solubilité. Un condenseur de la forme E.C.D. semble la

solution la plus simple au niveau de la source froide : les E.C.D. en amont du

cycle transfèrent une grande partie des incondensables de la saumure géother-

mique dans le cycle, ce qui diminuerait les transferts thermiques d'un échangeur

classique (localisation sur les parois froides). Ces incondensables sont res-

ponsables d'une diminution sensible du rendement des centrales géothermiques "à

vapeur d'eau" ayant un condenseur E.C.D. à dépression (tube barométrique) car

ils nécessitent des extracteurs (pompe "à vide", éjecteur...) pour rejetter ces

gaz à la pression atmosphérique. En effet, l'accumulation de ces gaz en sortie

de turbine augmente la contrepression. Les fluides binaires envisagés (sauf le

pentane) présentent une pression de condensation supérieure à la pression

atmosphérique, la gamme de température des fluides de refroidissement possibles

allant de 15 à 35° C. L'évacuation de ces gaz se fait par une soupape tarée et

entraine une perte du fluide de travail, celui-ci devant ensuite être récupéré

pour des raisons économiques évidentes.

Pour éviter les pertes par miscibilité avec l'eau de refroidissement,

le circuit doit comporter une tour de refroidissement, ou un échangeur clas-

sique. Ces dispositifs permettent d'éviter la mise en oeuvre d'un processus de

récupération et de maintenir la pression de l'eau de refroidissement à la

pression du condenseur. Le fluide de refroidissement choisi est toujours l'eau

pour les raisons suivantes :

- Le fluide de travail est choisi pour sa faible miscibilité avec l'eau

géothermale.

- Le gaz qui arrive au condenseur contient une forte proportion de

vapeur d'eau facilement condensable au contact de l'eau de refroidis-

sement à la pression du condenseur.

10

- Les caractéristiques de l'eau d'un point de vue thermique (conduc-

tivité, capacité calorifique) sont largement supérieures à celles des

fluides de travail.

- L'eau présente un écart de densité important (~ 0,5) avec 1'isobutane

qui est le fluide de travail le plus couramment utilisé, ce qui

facilite la séparation par gravité à la sortie du condenseur.

Différents types de condenseurs ont été envisagés en fonction des

écoulements des différentes phases (phase continue liquide ou gazeuse, gouttes

ou jets...).

+ Condenseurs à film. (réf. 1)

chicanes

Entrée des gaz

type à chicanes sortie du condensâtvers le séparateur

Y

eaufroide

diffuseur

type à diffuseur

Fig. 3 - Condenseur à film avec diffuseur.

Pour obtenir une plus grande surface d'échange, augmenter le transfert

thermique, les gaz à condenser circulent dans un "diffuseur" mouillé . Des

échangeurs de ce type ont été utilisés dans des systèmes d1evaporation d'eau de

mer (réf. 3).

11

Sortie des incondensables

entrée de l'eaude refroidissement

Entrée desgaz

Sortie du mélange eau-fluide secondaire condensé

Fig. 4 - Condenseur à jets.

Ce type de condenseur est très utilisé dans les centrales à vapeur car

la circulation par gravité provoque une dépression au dessus du condensât, ce

qui n'est pas un avantage dans le cas de cycles binaires en raison de la pres-

sion de condensation élevée.

12

Deux possibilités ont été envisagées (réf. 1) :

eau de refroidissement

Entrée des gaz

gaz —*£ M

I- [-• incondensable

sortie desincondensables

Sortie du condensâtet de l'eau de refroidissement

Ecoulement gaz-liquidecourants croisés

Fig. A bis

Ecoulement gaz-liquideparallèle

La plupart des calculs portant sur les performances de ces condenseurs

à jets ce réfèrent à la cinétique de condensation de la vapeur d'eau autour de

gouttes d'eau. Des évaluations numériques (Jacobs (1, 6)) et des expériences

(Ford et Lekic (1)) montrent qu'il faut tenir compte à la fois de l'augmentation

du diamètre des gouttes, de la résistance induite par le film de condensât et de

la présence des incondensables limitant le transfert thermique au niveau de

l'interface.

13

R (t) : rayon au temps t

R. : rayon initial

Augmentation du rayon Rdes gouttes.Condensation de vapeurd'eau sur des gouttesd'eau pour T . - T. = 50°CK sat i

1.000

— avec résistance thermique de filmsans résistance thermique de film

o expérimental

I ' l l Temps - secondes0 0Û2 O04 006 0O8 O.K> 0.12

Fig. 5 - Condensation de vapeur d'eau sur des gouttes d'eau.

Jacob et Cook (1) donnent aussi des informations sur la condensation

du R 113, du pentane et de l'isobutane sur des gouttes d'eau. Ils calculent un

coefficient ß, correspondant à un temps adimensionel, en fonction de l'écart de

température

T - Tsaturante initiale eau

ß = SL£V

diffusivité thermique du fluide de

travail (m2/s)

temps (sec)

¿ : rayon initial de la goutte (m)

ß : temps adimensionel.

14

Si 0 est défini comme l'efficacité, c'est-à-dire l'accroissement

maximun de la goutte due à la condensation, on peut tracer les courbes sui-

vantes, à 0 constant :

-T,. *C9 K)

T--T..-C

Fig. 6 - nombre ß en fonction de l'écart de température.

Pour un condenseur et un fluide de travail donné, le coefficient ß

représente un temps. Aussi ces courbes permettent de calculer la vitesse de

condensation.

La possibilité de la coalescence, autrement dit de réorganisation du

nombre de gouttes complique le problème (réf. 7) mais le modèle semble suffisant

pour le dimensionnement du condenseur en prenant un diamètre initial moyen des

gouttes.

+ Condenseur à bulles.

La vapeur saturante, représentant la phase dispersée, passe sous forme

de bulles à travers un courant d'eau froide. Ce système a été très largement

utilisé dans des domaines variés (pour suppression de vapeur associée aux réac-

teurs nucléaires, ainsi que pour la distillation d'eau de mer). Ce type de

condenseur présente le meilleur contact entre les phases et la haute conduc-

tivité thermique de l'eau est pleinement utilisée.

15

sortie du fluide secondaire

condensé

Entrée de l'eaude refroidissement

Chicanes destabilisationdes phases

interface

Entrée des gaz sortie de l'eaude refroidissement

Fig. 7.a - Condenseur à "bulles" traversant un courant d'eau avec des

chicanes de stabilisation de phase.

incondensables e a u

A froide' incondensables

. - _-. ^^. eauécran de

coalescence

eaufroide

Fluide IIcondensé

eau

•

Fluide IIcondensé

vapeurvapeur

Condenseur à cocourant avec Condenseur à contrecourant

un écran de coalescence avec un écran de coalescence

Fig. 7.b - Echange direct à bulles.

16

De nombreuses études font référence à des simulations ou à des expé-

rimentations portant sur la condensation de bulles d'hydrocarbures dans l'eau en

présence d1incondensables (8, 9). Sideman et Moaleur (14) donnent un coefficient

volumique d'échange thermique de 500 KW/m3 °C pour un mélange binaire

pentane/eau dans les conditions suivantes :

- Les bulles sont injectées, séparées par une distance égale à 4 fois

leur diamètre.

- Le pas de temps de l'injection discrète est de 1/26 de la durée de

leur condensation.

L'expérience montre que la condensation à contre courant est plus

efficace.

17

IV - REALISATIONS PROTOTYPES DE CENTRALES GEOTHERMIQUE A E.C.D.

Deux séries d'expériences américaines ont été réalisées dans les

4 dernières années et se poursuivent actuellement. Il s'agit de :

- Deux boucles de 10 KW puis de 500 KW mises au point par Barber-Nichols

Engineering Co et Lawrence Berkeley Laboratory, sous contrat de la

Direction Of Energie (D.O.E.), sur le champs géothermique de East

Mesa, Californie.

- Une boucle de 100 KW en vue de la réalisation d'une centrale de 3 MW,

réalisée par Arkansas Power and Light (A.P.L.) et Daedalean Associates

Incorporated (D.A.I.), aussi sous contrat D.O.E., sur les rejets de

saumure géothermique des usines d'extraction de bromure à Marysville

(Arkansas) : Great Lakes Chemical Corporation's (G.L.C.).

18

1 - CENTRALE DE 10 KW A EAST MESA

(près de Hotville Californie)

Une boucle thermodynamique d'essai, de près de 10 KW, utilisant la

saumure géothermique du puits Mésa 6-2, a été testée, entre 1977 et 1979

(réf. 10). Elle repose sur l'utilisation d'un cycle de Rankine entre 160° pour

la source chaude et 35° pour la source froide, 1'isobutane étant le fluide de

travail. Les principaux éléments du cycle sont : un E.C.D. cumulant les fonc-

tions préchauffeur et bouilleur, une turbine, un séparateur, une colonne de

récupération, un condenseur, une réserve de fluide de travail, et deux pompes de

circulation (cf. fig. 8).

Paramètre : Débit Température Pressionkg/s °C bars

1 injection d'isobutanedans E.C.D.

2 vapeur d1isobutanesortie bouilleur

3 vapeur d'isobutaneaprès détente

4 isobutane liquide

5 arrivée saumure

6 saumure pressurisée

7 saumure en sortie E.C.D.

8 saumure après séparation

9 saumure après récupération

0,36 35 21,7

0,36

0,36

0,36

0,37

0,37

0,37

0,37

0,37

104

82

35

162

162

68

68

68

21,7

7,6

7,6

11,4

21,7

21,7

21,7

10,1

vapeur

générateur turbine

entrée à saunure Q?parpe à sainare

rulnrn? tb

sort ie ^ ysauiure

t\\

bouilleur

préchauffeur

\reserve

TTrajet de la saumure

Trajet du fluide de travail

Récupération de fluide detravail entraîné par la saumure

Fig. 8 - Schéma de principe

20

1.1 - E.C.D.

Le préchauffeur et le bouilleur sont constitués par une simple colonne

verticale d'une hauteur totale de 3,96 mètres^d'un diamètre interne de 15,24 cm

dans la partie médiane et de 25,4 cm aux deux extrémités pour permettre le

passage annulaire de l'eau autour de l'assiette de dispersion de 1'isobutane à

la partie inférieure, et de la mise en place d'un filtre pour retenir les

"gouttes d'eau" qui pourraient être entrainées par le courant de vapeur à la

partie supérieure. L1isobutane est introduit près de la base de la colonne à

travers un disque percé de 390 trous de 1,5 mm de diamètre. Ces trous sont

chanfreinés à leur partie inférieure, mais gardent leur rugosité d'usinage à

l'orifice supérieur. Ces dispositions permettent une micro-dispersion. De plus

le disque (360 stainless steel) est légèrement oxydé à l'acide nitrique,, ce qui

lui confère une faible mouillabilité à 1'isobutane.

La saumure est injectée à travers un distributeur torique près du

sommet de la colonne. Au dessus se trouve un filtre en acier inoxydable de

15,24cm d'épaisseur.

La colonne est maintenue par 5 brides, qui permettent des inspections

et facilitent des modifications expérimentales, elle présente aussi de nom-

breuses possibilités d'instrumentation comme des prises de pression, de tempé-

rature, d'échantillon et des petits hublots.

1.2 - SEPARATEUR

La saumure sortant de 1'E.C.D. entre dans un tube légèrement incliné

sur l'horizontale (Io) de 2,1 m de long et 20,3 cm de diamètre. Il permet la

coalescence de gouttes de fluide de travail pouvant être entrainées au sein de

la phase liquide au cours des tests. Cet organe ne présente un intérêt que

durant les phases de dimensionnement et de recherche d'équilibre de l'écou-

lement. Celui-ci étant trouvé, 1'isobutane à l'état libre (non dissout), est

entièrement entrainé vers le haut de l'E.C.D. Aussi ce séparateur n'est pas

utilisé au cours des tests d'endurance.

21

o

t niveau sup.

\ _

liquide

EntreeIsobytanliquide

Sortie isobutane gazeux

Egoutteur

Entrée saumure

Distributeur torique

.Tube 0 0,15

Assiette de dispersion

Sortie saumure

Fig. 9 - ECHANGEUR A CONTACT DIRECT -PRECHAUFFEUR/BOUILLEUR

22

1.3 - CONDENSEUR

Après détente, les vapeurs d'isobutane sont condensées dans un

échangeur classique à calandre et tubes dans lesquels circule, en un passage,

l'eau de refroidissement. Le condenseur présente une surface d'échange de

11 m2 ; il est incliné de 20° sur l'horizontale, la vapeur entrant dans la

partie élevée. L'eau passe à contre courant avec un débit dépendant de celui de

1'isobutane.

1.4 - RESERVE DE FLUIDE SECONDAIRE

II se présente sous la forme d'un récipient cylindrique de 1,8 mètre

sur 27 cm de diamètre.

Cette réserve a pour fonction durant les tests, de compenser les

variations de débit de 1'isobutane, les fuites et de séparer l'eau condensée et

1'isobutane, par gravité.

1.5 - POMPES

La pompe de circulation d'isobutane est du type 4 cylindres à pistons

avec une capacité de 2,3 m3/h. La pressurisation de la saumure est assurée par

une pompe triplex. Les deux pompes présentent une compensation de pulsation à

l'azote, une valve sur un bypass contrôlant le débit, et une valve de sécurité.

La pressurisation de 1'isobutane requiert des pompes adaptées du fait de la

forte hauteur manométrique, ainsi que de la faible densité et viscosité du

fluide.

23

1.6 - SYSTEME THERNOMECANIQUE

Une turbine axiale a été spécialement conçue pour le cycle. Elle

présente une grande plage de fonctionnement tant du point de vue du débit

accepté que de la puissance fournie. Son dimensionnement (tuyère, ailettes) a

été calculé en supposant une détente adiabatique d'un mélange gazeux d1isobutane

et de vapeur d'eau, à partir des caractéristiques d'admission dans la turbine

(densité, vitesse). La turbine est couplée à un alternateur par une boite de

vitesse à double réduction.

1.7 - RESULTATS

Après le dimensionnement des différents organes, avec à chaque fois

des tests particuliers, des essais d'endurance de la boucle complète ont été

effectués. Au cours d'un test de 500 heures, différentes constatations ont pu

être faites ; en particulier :

- Le rendement de la turbine est passé de 49 % à 39 % (sur 500 heures).

La perte de puissance est due à un dépôt de silicate dans les tuyères

d'injection, surtout dans le cône d'expansion surpersonique. Ce dépôt

prouve que de la saumure est entrainée avec les vapeurs à la sortie de

1" E.C.D.

- Les chemises des pompes (saumure et isobutane) n'ont pas résisté aux

différents tests.

- Une fuite est apparue au niveau d'un palier d'arbre de la turbine.

- Dans la mesure où toutes les causes d'arrêt ont eu une cause technique

précise et que la pièce maitresse, c'est-à-dire 1' E.C.D., a fonc-

tionné dans les normes prévues, ces tests, sont considérés comme

positifs.

24

La puissance de la turbine ainsi que les conditions d'écoulements dans

les tuyères sont en accord avec les calculs. L'influence de la vapeur

d'eau entrainée dans 1' E.C.D. est restée faible.

Aucun dépôt n'est apparu en dehors des tuyères (E.C.D., différentes

canalisations...).

Les pertes d'isobutane entrainées par dissolution dans la saumure sont

de 85 ppm, ce qui correspond à 25 % de l'équilibre dans cette eau.

Ces tests ont aussi permis de dégager les améliorations à effectuer

sur les boucles ultérieures :

- Un flash léger (avec une chute de température de l'ordre du degré) de

la saumure avant pressurisation doit permettre d'éviter la contami-

nation de la boucle par le Co2 et son accumulation dans le conden-

seur.

- Un flash partiel à pression subatmosphèrique du rejet de l'eau permet-

tra la récupération maximale d1isobutane.

- Un filtre à gouttelettes plus efficace doit limiter l'entrainement de

minéraux dans la boucle.

25

2 - EXPERIENCE DE 500 KW A EAST MESA.

Le but de cette boucle plus récente (1980-1981) est de tester de

nouveaux éléments ainsi que de dimensionner des unités de puissance supérieure

(~ 50 MW, diamètre de E.C.D. : 6 mètres) en vue d'une commercialisation de ce

produit. La source chaude du cycle est le puits 8-1 à 163° C ainsi que le puits

6-2 à 171° C. (réf. 11).

incondsr

échangeurà plaques

"roidE

Flash partielpiège à sable

reïnjectian

Trajet de la saumure

^ Trajet du fluide de travail

A Récupération de fluide de travail

Rejet des gaz incondensables

Fig. 10 - Schéma de principe

26

Les principales modifications apportées au prototype de 10 KW sont les

suivantes :

- Dimension des différents organes.

- Récupération thermique sur la vapeur et les incondensables du flash de

la saumure à l'entrée de la boucle.

- Une turbine hydraulique est placée en amont du ballon de flash pour la

récupération d'isobutane, après le contact direct. Elle permet de

transformer l'énergie de la détente de la saumure entre la pression à

1' E.C.D. (> 20 bars) et le flash partiel (< 1 bar) en énergie méca-

nique.

ORGANE

Moteur des ventilateurs pour l'eaude condensation

Pompe à isobutane (haute pression)et moteur

Pompe à saumure (haute pression)et moteur

Pompe de réinjection (saumure)et moteur

Système de récupération (compresseur)

Boite de vitesse61

Alternateur

RENDEMENT

0,750,90

0,760,90

0,700,98

consommée

PUISSANCE KW

77,7

96,7

54,4

2,1

15

245,9

0,97 )

0,85 j

Turbine 0,83

Turbine hydraulique 0,81

Puissance brute

Puissance nette

776

30

806

500

,7

,2

,9

KW

27

Le rendement global du cycle est de 8,9 % (celui de Carnot étant de

30 %) avec une condensation à 34° C, et la puissance délivrée rapporté au débit

du puits géothermique est de 8,3 KW/(kg/s).

La boucle et les différents organes ont fonctionné suivant les prévi-

sions hormis de graves problèmes survenus à certaines pompes.

- Le débit de la pompe de pressurisation de la saumure a chuté rapi-

dement (après 110 heures de fonctionnement), à cause d'un dépôt de

carbonate de calcium, présent aussi sur différentes vannes et sondes.

- La pompe de production ou "pompe de puits" a été la cause de nombreux

arrêts. La première pompe a fonctionné 15 jours, la seconde six mois,

la troisième deux mois... En tout six pompes ont été installées sur le

puits Mesa 6-2. Les causes de pannes sont dues à des intrusions de

saumure dans le cable électrique, le caisson ou le moteur.

Le problème des dépôts n'est constaté qu'après la première détente de

saumure ; le dégazage de C02 provoque une surconcentration de carbonate qui

précipite c'est un problème bien connu. La solution retenue consiste à utiliser

des additifs "Flocon 247" (acide maléïque + inhibiteur de dépôt) mélangés à la

saumure. Ce traitement s'est révélé très efficace, mais augmente sensiblement

les coûts d'exploitation. Par contre les surcoûts très importants dus aux dé-

faillances des pompes d'exhaure (en grande partie imputables à la température

supérieure à ~ 130° C), sont de nature à remettre en cause l'exploitation de

réservoir à eau pressurisée de moyenne température avec ce mode d'extraction de

la saumure.

28

3 - BOUCLE DE 100 KW REALISEE PAR ARKANSAS POWER

AND LIGHT (A.P.L.)

3.1 - INTRODUCTION

Ce projet a pour objectif de tester la faisabilité technique et

économique de centrale d'une puissance de 3 MW utilisant des saumures à moyenne

température (réf. 12, 13) (95°C) avec condensation à 25°C. Cette saumure

géothermique est en fait un rejet des usines Great Lakes Chemical Corporation's

(G.L.C.) (extraction de brome). La boucle comprend un préchauffeur - bouilleur

ainsi qu'un condenseur de type E.C.D., avec de l'isopentane comme fluide de

travail.

3.2 - DESCRIPTION

- Préchauffeur - bouilleur = c'est un cylindre de 0 = 1,22 x H = 2,44 m

en acier recouvert de teflon à l'intérieur.

Caractéristiques de l'écoulement :

entrée de la saumure : 10,80 kg/s ; 96° C

sortie de la saumure : 10,75 kg/s ; 67° C

entrée d'isopentane (liq) : 2,85 kg/s ; 32° C

sortie d'isopentane (vap) : 2,89 kg/s ; 68° C

(5° C de surchauffe)

Le coefficient volumétrique global d'échange thermique pendant les

essais est compris entre 26,4 et 43 KW/m3,°C.

vapeurs'isopentane

sortie

DIAGRAMME SIMPLIFIE DU SYSTEME

Echauffaient

Ejecteur desincondensablesl I

tour derefroidis9enBnt

eau

Ni

Légende : V a m e nonnalenent ouverte - Kl K3 K6fennée - K2 K5

v a m e automatique - HZ H6 H14

30

condenseur : cuve d e 0 = l , 2 x H = 4 , 6 m e n acier recouverte de résine

époxy. La pression de fonctionnement est de 1,02 bars.

Caractéristiques de l'écoulement :

entrée d'eau 43,3 kg/s ; 21,1° C

sortie d'eau '43,4 kg/s ; 26,6° C

entrée isopentane 2,89 kg/s ; 39° C (vap.saturée)

sortie isopentane 2,85 kg/s ; 32° C

Le coefficient volumique d'échange thermique moyen est de 51 KW/m3,°C.

Il s'agit d'un condenseur "à bulles" ; la vapeur saturante après

détente passe sous forme de bulles à travers un courant d'eau de 61 cm d'épais-

seur où elle se condense ; elle s'accumule ensuite sous forme liquide en une

couche de 15 cm d'épaisseur au dessus de l'eau.

L'eau de refroidissement passe dans un tour de réfrigération à éjec-

teur.

Les gaz incondensables mélangés à des vapeurs d'isopentane

évacués par un échappement sans récupération.

sont

- Turbine et équipements auxiliaires.

Il s'agit d'une turbine à 1 étage à injection radiale. Le rotor est en

titane et les palliers d'étanchéïté sont à azote. La vitesse de rotation est de

18 000 tr/mn et le rendement est estimé à 86 %. Il a varié pendant les essais

entre 58 et 90 % avec une moyenne de 71 %.

La turbine est couplée à un alternateur de 92 KW par l'intermédiaire

d'une boite à vitesse de rapport 10/1.

31

Quatre pompes fonctionnent sur la boucle :

la pompe de pressurisation de saumure (11 KW)

la pompe à isopentane 5,5 (KW)

la pompe à eau de refroidissement (14 KW)

la pompe à eau de sortie de condenseur (29,4 KW)

59,9 KW

3.3 - RESULTATS DES ESSAIS

Le préchauffeur - bouilleur a fonctionné de manière satisfaisante.

Toutefois le revêtement du dôme ayant disparu, cette partie a été

attaquée par la rouille. Cette abrasion semble due à 1'entrainement de

particules avec les vapeurs d'isopentane dans la partie supérieure du

bouilleur. A la base du préchauffeur une accumulation de sel a été

constatée. Le dépôt (quelques millimètres après une série d'essais)

peut être du à une simple sédimentation au cours d'arrêts de cir-

culation de la saumure. Des problèmes de régularisation en ce qui

concerne le degré de surchauffe de la vapeur, (qui a du être réglé

manuellement) ont montré la nécessité d'une automatisation. Par

contre, la régulation des écoulements relatifs des fluides s'est

révélée efficace, le niveau du liquide dans l'E.C.D. étant stable.

Des échantillons de saumure prélevés à la sortie de 1' E.C.D. donnent

une teneur en isopentane entrainé (ou dissout), très variable, entre

5 et 140 ppm ; tandis que la vapeur d'eau entrainée avec les vapeurs

d'isopentane étaient de l'ordre de 3,4 à 8,3 % en masse et les in-

condensables de 0,4 à 3,4 %.

La vapeur d'eau, les incondensables et les particules entrainées ont

posé des problèmes dans les autres organes du cycle. Cet E.C.D. ne

présente pas de tamis ou filtre destiné à minimiser cet entraînement.

32

Le titane au niveau du rotor de la turbine évite les problèmes lié à

la corrosion, mais des traces d'érosion ont été décelées, provoquées

par des particules. Un système d'étanchéïté à azote a mal fonctionné,

provoquant à la fois la pollution de l'huile de lubrification des

palliers et celle de la vapeur un cours de détente (augmentation du

taux d'incondensables). La contamination de l'huile est due à la fois

au fluide de travail, à la vapeur d'eau, aux particules. On trouve des

dépôts de carbonate de calcium, de sable à différents niveaux du

circuit d'huile.

Le fonctionnement du condenseur a posé de nombreux problèmes prin-

cipalement dus à la régulation au cours des essais, ce qui a provoqué

de grosses pertes d1isopentane. La condensation turbulente, ainsi que

la faible précision des mesures à l'interface liquide entre l'eau et

1'isopentane condensé, provoque une instabilité de ce niveau et

parfois des engorgements.

Le principal problème pendant les essais a été posé par des surpres-

sions : la pression maximale prévue en fonctionnement est de

1,03 bars ; une pression supérieure provoque l'ouverture d'une soupape

reliée à une cheminée d'échappement. Les surpressions sont dues à la

fois à la présence d1 incondensables (principalement air provenant du

traitement de G.L.C. et azote provenant de la turbine), ainsi qu'au

sous dimensionnement du système de réfrigération. L'analyse de l'eau

sortant du condenseur donne 208 à 726 ppm d1 isopentane et 39,6 à

222 ppm de chlorure.

L'entrainement des équipements auxiliaires a nécessité une puissance

électrique qui a toujours été supérieure à la puissance brute délivrée

par l'alternateur. Les calculs de dimensionnement sont à revoir pour

limiter les puissances absorbées des pompes à un niveau acceptable.

Des traces de corrosion ainsi que des fuites aux palliers ont été

décelées sur la pompe de pressurisation de saumure, malgré la neutra-

lisation (ph ~ 7) de la saumure à la sortie des usines de G.L.C.

33

3.4 - REMARQUES ET CONCLUSION

La réalisation de ce prototype et les essais qui ont suivi ont mis en

évidence différents problèmes et contribué à définir de nombreuses recommen-

dations dans l'optique d'une industrialisation :

a) Au niveau de la boucle dans son ensemble.

. La faisabilité de la production d'électricité à partir d'une E.C.D. et

géothermie, a été démontrée. Cependant des erreurs de dimensionnement

ne permettent pas d'en connaître le rendement réel.

. De nombreux problèmes résultent de l'inadéquation des matériaux et

matériels aux conditions réelles de fonctionnement (ex : agressivité

de la saumure causant diverses corrosions, gel provoquant des ruptures

de pompes...).

. L'optimisation de la puissance des appareils électriques annexes doit

permettre de présenter un bilan net de production positif.

. Les pertes d'isopentane sur cette boucle ne comportant aucun système

de récupération se révèlent prohibitives. La séparation et le recy-

clage du fluide de travail au niveau des rejets de saumure et de

l'extraction des incondensables, ainsi qu'un meilleur dimensionnement

des organes principaux (bouilleur, condenseur...) aux conditions

thermodynamiques de fonctionnement doivent diminuer ces pertes dans

des proportions importantes.

La contre pression importante en sortie de turbine causée par la

surpression du condenseur pénalise largement l'opération par une chute de

puissance brute (fonctionnement instable) et des pertes de fluide de travail.

34

b) Au niveau des différents éléments constituant la boucle :

- Le préchauffeur - bouilleur E.C.D.

. Le transfert thermique est suffisant.

. Des matériaux plus résistants que le film de teflon doivent être

essayés (en fibre de verre renforcée par des résines polyester).

. Un système de tamis à goutte (filtre) doit être implanté au dessus du

niveau liquide pour diminuer 1'entrainement d'eau par les gaz.

. L'asservissement de l'automatisme de régulation sur la pression de

vapeur (donc le degré de surchauffe) à une cellule manométrique,

semble préférable à celui de simple température.

. L'évaluation à partir de données expérimentales fiables des coeffi-

cients de transfert nécessite une instrumentation plus complète

comportant des instruments (sonde de température) plus précis que ceux

employés.

- Les turbines et le générateur.

. Le type de turbine semble bien adapté à l'utilisation qui en est

faite.

. Son dimensionnement doit tenir compte des conditions les plus médiocres

de contre pression.

. D'autres systèmes d'étanchéïté que les joints à azote doivent être

étudiés.

35

- Le système de réfrigération.

. Les performances du condenseur sont faibles et il semble qu'un con-

denseur à tube et calandre serait plus approprié. Cela éviterait la

présence d'un système de contrôle.

. Le condenseur doit être dimensionné pour fonctionner avec la tempé-

rature de refroidissement la plus haute, délivrée par la tour réfri-

gérante.

. Il semble que pour d'autres compositions chimiques de l'eau géother-

male, la tenue de la couverture en résine epoxy risque d'être grave-

ment altérée.

. Le système de réfrigération, par tour à éjecteur, est bien adapté au

cycle et ne nécessite que des opérations limitées de maintenance.

36

V - CONCLUSION GENERALE

Le principal problème inhérent aux centrales géothermiques à fluide

binaire avec échangeur classique, c'est-à-dire les dépôts augmentant la résis-

tance aux transferts thermiques, semble être résolu par l'emploi des E.C.D.

D'un autre côté, l'emploi des E.C.D. amène des modifications sur le

cycle, en particulier des systèmes de récupération doivent pallier aux trans-

ferts de masse. Les réalisations citées sont pénalisées principalement par des

problèmes de pompe dans l'environnement géothermal (pompe de fond et de tête de

puits), et de dépressurisation de cette eau entraînant l'éjection d'inconden-

sables. Un procédé bénéficiant d'un E.C.D. complémentaire à cocourant dans le

puits géothermique provoquant un effet de "gaz lift" semble de nature à remédier

à ces deux problèmes.

Ces différents systèmes de valorisation de la ressource géothermique

"moyenne enthalpie" nécessitent encore un effort de recherche important avant de

passer à une phase de développement industriel.

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