Réduire les coûts économiques d'un système de chauffage géothermique à utilisation directe

Les systèmes géothermiques à utilisation directe utilisent l'eau souterraine qui est chauffée par des processus géologiques naturels sous la surface de la terre. La température de cette eau souterraine peut dépasser 90 ° C. On trouve de telles masses d'eau souterraine chaude dans de nombreuses zones d'activité volcanique ou tectonique. Le potentiel d'exploitation de l'énergie géothermique est important, mais les coûts économiques élevés associés au forage des puits et à l'entretien des échangeurs de chaleur limitent l'utilisation de cette technologie pour le chauffage. En effet, les échangeurs de chaleur métalliques impliquent des coûts d'achat et de maintenance élevés en raison de l'agressivité chimique du fluide géothermique.

 

Une équipe de chercheurs italiens a modélisé un échangeur de chaleur à plaques en plastique pour un système de chauffage géothermique direct. Pour ce type d’application, les échangeurs de chaleur en polymère ont un coût d'achat inférieur et une résistance à l'encrassement plus élevée que les échangeurs de chaleur en métal. L'échangeur de chaleur à plaques en plastique a été modélisé géométriquement et thermodynamiquement, puis optimisé par une analyse exergoéconomique. Le modèle proposé a été appliqué à une étude de cas dans le sud de l'Italie, dans une zone volcanique active de la région de Campanie où la température des fluides géothermiques est élevée (entre 90 et 120 °C) à une faible profondeur de 86 à 101 m. L'échangeur de chaleur à plaques a été utilisé pour répondre aux besoins de chauffage d'un seul bâtiment.

 

Les chercheurs ont obtenu les résultats suivants :

• le coefficient global de transfert de chaleur était maximal lorsque la température du fluide géothermique était élevée (105-120 °C) et que le nombre de canaux pour chaque variable de débit était de 7 à 12.
• les surfaces nécessaires pour l'échangeur de chaleur étaient faibles (réduisant ainsi le coût d'achat de l'échangeur de chaleur) pour un coefficient global de transfert de chaleur égal à environ 240-250 W/K-m².
• le coût d'investissement de l'échangeur de chaleur diminuait lorsque la température géothermique d'entrée augmentait. A l’inverse, le coût d'investissement du puits et le coût de l'électricité augmentaient avec la température.
• la variation des coûts exergoéconomiques du puits et de l'électricité était inférieure à celle de l'échangeur de chaleur ; ainsi, le coût exergoéconomique du produit a montré une tendance similaire au coût de l'échangeur de chaleur.

 

Le coût exergoéconomique du produit était le plus bas lorsque la température du fluide géothermique était supérieure à 105 °C ; ainsi, la plus petite surface d'échange de chaleur était requise. La solution optimale trouvée par optimisation exergoéconomique, était un coût total du produit de 922 €/an pour une température du fluide géothermique égale à 117 °C et un nombre de plaques égal à 15.

 

 

L'étude a été publiée dans la revue Energies.

image source: la zone volcanique des Champs Phlégréens dans le sud de l'Italie.