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

10

20

30

40

50

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70

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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