Autre fonctionnalité de la géothermie: le stockage en aquifère

(ATES)Pascal H. Vinard

Dr ès sciences, Dipl. géol, dipl. hydrogéol. CAS analyse énergétique des bâtiments

Valorisation de la géothermie: le rôle clé des réseaux de chaleur

UNIGE, 2 novembre 2017

Contenu

Note introductive1. Un peu d‘histoire en Suisse et dans le monde2. Contexte énergétique et marché3. Conditions-cadre énergétiques en Suisse4. Définitions et classification des systèmes de stockage

thermique5. Fonctionnement de systèmes de stockage saisonniers dans

le terrain UTES1, BTES2 et ATES3

6. Réalisations représentatives de systèmes ATES7. Perspectives en Suisse & enseignements8. Quelques idées pour la suite…

1 Underground Thermal Energy Storage2 Borehole Thermal Energy Storage3 Aquifer Thermal Energy Storage cf. pp 10-12

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Note introductive I

Champs d’application dustockage thermique

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1a – Forage de production1b – Forage d’injection2 – Centrale de chauffage géothermique (échangeur et pompe à distance)3 – Réseau de chauffage à distance4 – Bâtiments5 – Maisons individuelles6 – Industrie7 – Serres agricoles

Note introductive II

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Note introductive III

• Le stockage d’énergie thermique est aussi nécessaire que celui de l’électricité qui, lui, attire des investissements et une couverture médiatique autrement plus importants.

• Quatre décennies de développement ont permis de réaliser des systèmes de stockage d’énergie thermique en aquifères ATES performants s’insérant dans des solutions de CAD urbains efficaces, notamment aux Pays-Bas avec de belles perspectives en Suisse aussi (Genève en particulier).

• La logique de développement des ATES s’inscrit dans le développement de la géothermie de basse enthalpie adaptée aux contextes urbains, liée aux CAD basse température, solutions PAC ainsi que le besoin de régénérer les champs de sondes via des systèmes BTES.

• Nous disposons de toutes les briques technologiques pour réaliser des solutions énergétiques mettant en adéquation les besoins thermiques et les ressources naturelles sans perte de confort et ceci dans des délais et budgets réalistes sur la base de solutions techniques robustes et durables. Ceci en tenant compte du stockage.

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La Suisse fut pionnière en matière de SGV (sondes géothermiques verticales), champs de sondes, régénération via BTES et interopérabilité (gas, solaire, CAD). Elle l’est à nouveau en matière de SGV profondes.

En matière de stockage thermique, la Suisse sut se montrer innovante également, dans les années 1980. L’accent était porté d’abord sur des projets ATES de type SPEOS (> 800 C en entrée, cf. pp 14-15), puis sur le stockage en cuves combinées à des panneaux solaires thermiques (artificial seasonal thermal energy storage systems: STES).

L’effondrement des prix du pétrole a tari les crédits recherche. Dès les années 1990, l’OFEN lança le programme de recherche «Solaire actif – Chaleur et stockage de chaleur». Ceci a permis la maturation du solaire thermique, de suivre les progrès des technologies de stockage par changement de phase et d’avancer dans le domaine de la régénération des sondes géothermiques.

Actuellement, un regain d’intérêt est notable, les moyens financiers sont en train de se mettre en place («projets de démonstration et phare de l’OFEN»).

1. Un peu d‘histoire: en Suisse

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Dès les années 1960, de grands systèmes ATES ont vu le jour en Chine.

Le premier ATES européen fut développe à l’initiative du Centre d’hydrogéologie de l’Université de Neuchâtel (CHYN) sur les bords du lac de Neuchâtel. Ce petit précurseur ouvrit la voie à SPEOS (cf. pages 13-14)

L’idée fondamentale était de régulariser apports et besoins énergétiques avec des stocks tampon de haute enthalpie. A cette époque, personne ne pensait à chauffer des immeubles à des niveaux de température inférieurs à 400 C ni que les pompes à chaleur atteindraient des niveaux de COP >> 2.

La difficulté de réunir toutes ces conditions en un même lieu a joué un rôle limitatif au développement des ATES-BTES et les phases de prix bas des vecteurs fossiles ont freiné le développement de ces systèmes.

Au Canada également, le stockage saisonnier a démontré son utilité quand bien même, à l’échelle du pays, son implémentation reste anecdotique.

Le Danemark et l’Allemagne sont également actifs dans ce domaine.

1. Un peu d‘histoire: dans le monde I

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Dans le Nord de l’Europe, en Allemagne, au Danemark et aux Pays-Bas surtout, l’effort de recherche dans le domaine du stockage thermique fut maintenu à un niveau plus élevé. Le stockage en cuves ou en roches granitiques n’est pas analysé plus loin ici du fait du peu d’équivalences.

Favorisés par des ressources aquifères considérables en milieu urbain comme rural, les Pays-Bas (NL) prirent le rôle de leader mondial en matière d’ATES. La filière y est mature et à la recherche de marchés à l’étranger.

Notre propos est de présenter cette technologie, des exemples représentatifs et leur intérêt dans le contexte suisse en général, genevois en

particulier

1. Un peu d‘histoire: dans le monde II

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2. Contexte énergétique et marché

La dépendance des vecteurs fossiles pour couvrir les besoins thermiques de l‘industrie et des ménages resteforte et est donc un levier important de développement de marché pour le secteur de la géothermie.

Celui-ci se développe relativement bien en Suisse en comparaison européenne, mais bien trop lentement pour diminuer la facture globale et presqueexclusivement dans le domaine des SGV pour maisonsindividuelles ou champs de sondes pour ensemblesd‘habitation neufs.

Les développements de la géothermie par utilisationdirecte des aquifères, de subsurface, moyenne ougrande profondeur restent anectotiques dans notrepays et ceci malgré un potentiel de valorisationimportant et attractif!

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L’approvisionnement thermique est du ressort des cantons. Les dispositions du MoPEC ainsi que la nouvelle ordonnance sur les gaz à effet de serre sont déterminantes.Ceci va de pair avec l’abaissement des niveaux de température des CAD et la mise aux nouvelles normes en matière d’efficacité énergétique des bâtiments.L’évolution vers la basse enthalpie ouvre la voie à des solutions géothermiques et solaires attractives, modulables avec d’autres apports énergétiques (rejets de chaleur thermique provenant de processus industriels).Les articles les plus pertinents du MoPEC 2014 et du programme Suisse Energie sont :• Art. 1.18: Les rejets thermiques devront dans la mesure du possible et de l’économie

être utilisés. Ceci implique nécessairement des capacités de stockage pour aligner besoins avec production.

• Section D : remplacement du mazout et du gaz par des solutions PAC et/ou CAD reliés à des UIOM ou STEP. Or, les solutions PAC air-eau ont atteint le niveau maximal de COPa alors que la marge de progression pour les PAC sol-eau et eau-eau reste grande, surtout si l’accent est mis sur une régulation affinée entre apport calorifique et évolution des besoins journaliers et saisonniers.

3. Conditions-cadre énergétiques en Suisse

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4. Définitions et classification des systèmes de stockage thermique

Il s’agit de «batteries thermiques» à décalage de phase entre production et consommation.Dans le cas des processus industriels (STEP, CCF, chaudières), l’approvisionnement du stock suit le rythme de production alors que le soutirage celui des besoins.Il est important de situer le stockage en aquifères dans le contexte global des systèmes de stockage thermique saisonniers (STES). Trois types de classification existent existent:

A. Par type de technologie appliquée

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4. Définitions et classification des systèmes de stockage thermique

B. Par type de technologie appliquée dans le domaine de la géothermie et par profondeur:

(tiré de Bok & Willemsen, 2014)

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Types de stockages les plus attractifs

C. Par niveau d’enthalpie (output énergétique) et par logique économique:

Seuls les ATES et BTES sont capables de compenser production et consommation sur les durées requises. En termes de coût, les ATES sont les plus attractifs.

4. Définitions et classification des systèmes de stockage thermique

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5. Fonctionnement de systèmes de stockage dans le terrain UTES: BTES et ATES (I)

Source: Etude Hadorn

• Le stockage le plus approprié se fait en utilisant le sous-sol: aquifères (ATES) ou via des puits (boreholes) préexistants (BTES), respectivement des sondes géothermiques (champ de sondes) ou des géostructures.

• La part prépondérante des ATES dépend d’aquifères de subsurface d’à peine quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur. La charge calorifique est alors surtout le fait de la transmission de chaleur solaire depuis la surface.

• Le principe fondamental s’apparente au doublet géothermal sauf que la source de chaleur vient de l’apport solaire et/ou des rejets industriels.

• La distance entre les puits d’injection et d’extraction se calcule en fonction des caractéristiques de l’aquifère (conductivité hydraulique, pression hydraulique, débits d’injection et production, etc.).

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5. Fonctionnement de systèmes de stockage dans le terrain UTES: BTES et ATES (II)

Concept d’intégration de système ATES de haute température selon GFZ et GTN (tiré de Bartels et al. 2014)

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5. Réalisations représentatives de systèmes ATES: SPEOS, Dorigny-près-Lausanne (I)

adapté de: journal SIA no. 15-16, 1984

27 m

6 drains de 25 m de long et Ø 25 cm

Puits central Ø 2.2 m

Aquitarde

Aquifère supérieur

Aquifère inférieur

Zone non saturée

Colonne stratigraphique du delta de la Chambronne,Campus de Dorigny UNIL

Inpu

t: ST

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Four

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cent

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NIL

SPEOS: données de base Puits de 27 m de profondeur, 2.2 m de diamètre

2 niveaux de drains horizontaux de 25 m à –- 24 et - 7 m

> 1 MW, volume de stockage > 100’000 m3

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• SPEOS a permis il y a 31 ans de poser des jalons importants…

• puis le NEFF a disparu, le baril de pétrole a baissé et les projets de stockage suisses ont disparu

6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: SPEOS, Dorigny-près-Lausanne (II)

L’équipe SPEOS (Dres Saugy et Matthey) était en contact avec les directions des projets de St. Paul dans le Minnesota et d’Hörscholm au Danemark (chimie des eaux).Les avancées au niveau de la régulation, des échangeurs, de la modélisation ont ouvert la voie aux systèmes diffusifs ultérieurs et au projet phare allemand ci-après.

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Reichstag à Berlin (I)

Vue du Reichstag depuis l’Ambassade de Suisse (à gauche) et plan de situation (à droite)

Le système du Reichstag a la particularité de fournir autant du chaud que du froid en toute saison y compris l’ECS. Les besoins en froid avoisinent le double de ceux de chauffage (environ 4 MWh pour 2 MWh).

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Reichstag à Berlin (II)

Une fois déduite l’énergie nécessaire à la circulation entre le bâtiment et les aquifères (pompes), se dégage un rapport fort intéressant de 93 % de froid soutiré par rapport au froid emmagasiné et un rapport correspondant pour la chaleur de l’ordre de 77 %.

Les zones d’influence autour des deux puits n’excèdent guère 100 mètres pour le puits froid et 150 mètres pour son équivalent chaud.La coïncidence entre les mesures de terrain et les simulations à l’exemple du cycle de décharge de l’hiver 2008-2009 est remarquablement bonne, témoignant de l’excellente maîtrise du système par ses concepteurs.

Principe de fonctionnement hydrogéologique du système ATES du Reichstag (à gauche) et en réseau (à droite)

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Centrale de Rostock, Neubrandenburg (I)

Schéma CAD et données énergétiques de l’installation de Rostock-Neubrandenburg

La part solaire atteint 44 %

Le système est constamment optimisé

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Centrale de Rostock, Neubrandenburg (II)

Comparaison des quantités de chaleur injectées et extraites de 2005 à 2010 sur l’installation de Rostock-Neubrandenburg

Comparaison des situations énergétiques planifiées et effectives durant le cycle 2007-2008

Rôle du stockage

Ce type d’installation ATES est surtout alimentée par la chaleur emmagasinée dans lesaquifères, le stockage joue le rôle de tampon entre production et consommation.Un équilibre à l’exploitation (conditions stationnaires) semble atteignable dans un délaide 10 ans environ.

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Sites néerlandais (I)

Les Pays-Bas sont le champion en développement systématique du stockage en aquifèresen milieu urbain et rural.Deux précurseurs dès les années 1990 avec les deux ATES ci-dessous:

Même si l’installation De Uithof àUtrecht a été abandonnée en 2000,le savoir-faire accumulé a permis demettre en place un nombreimpressionnant d’installations ATES

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6. Réalisations représentatives de systèmes ATES: Sites néerlandais (II)

La croissance du nombre de permis de construction de systèmes ATES parle pour elle-même et couvre tout type de taille, enthalpie, environnement et usages

source: IF Technologies

Vue centrale sur Amsterdam et ses canaux avec au centre le secteur de la ville concerné par un système ATES couplé à un mini-CAD

Kadoerlerbreek : Mini-CAD pour 180 immeubles d’un centre de retraités à Amsterdam

DHC City of Amsterdam : Chauffagepar incinération des déchets ;refroidissement par eaux de surfaceou ATES selon les conditions locales

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7. Perspectives en Suisse & enseignements ILa modularité néerlandaise est parfaitement bien transférable aux conditions hydrogéologiques, territoriales, technologiques et énergétiques à Genève surtout:

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Epaisseur minimale des Alluvions anciennes dans les sondages Alluvions anciennes dans les sondages traversant

7. Perspectives en Suisse & enseignements II

1. Le marché des PAC géothermiques classiques se développe mais avec un impact limité sur le remplacement des vecteurs fossiles (habitat dispersé).

2. Le stockage est un complément naturel de l’exploitation thermique des aquifères milieux urbains (proximité entre chaleur fatale/sources de froid et usagers).

3. Le stockage thermique est modulaire, flexible, durable et rentable sur la base d’une réflexion globale (analyse énergétique territoriale d’ensemble).

4. Les conditions-cadre (MoPEC, LCO2, soutien populaire) se prêtent à monter en puissance.

5. L’expérience acquise en Suisse et à l’étranger est solide et à même de garantir la mise sur pied de systèmes performants, rentables et en taille réelle.

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7. Les technologies-clé sont matures (outils d’exploration, de forage, de pompage et de modélisation)

8. Les réseaux CAD BT ou anergie correspondants deviennent la clé de voûte de l’approvisionnement thermique.

9. Les solutions Aquifère-ATES-BTES se prêtent parfaitement bien au parc immobilier neuf et de rénovation.

7. Perspectives en Suisse & enseignements III

Concept de l’approvisionnement d’énergie thermique(Rapport du projet « Thermische Vernetzung » HES-Lucerne, 11 mars 2015)

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Lit molassique de la Glâne au sud de Fribourg comme analogue schématique de surface des sillons des Alluvions anciennes (AA) dans l’agglomération genevoise

Donc, pourquoi pas Intégrer les leçons de SPEOS et des Néerlandais: intégrer les solutions de stockage

thermique d‘emblée dans les projets d‘exploitation de la géothermie de faible etmoyenne enthalpie.

Recherche systématique de sites aux propriétés appropriées = aquifères porteurs et proximité de sites de production et/ou ponction de chaleur (il y en a des dizaines en Suisse!).

Lancer un projet pilote de production/stockage thermique représentatif en milieuurbain à Genève.

Lancer une ligne CTI (Innosuisse dès 2018) pour fiabiliser les technologies-clé pourl‘exploitation géothermique basée sur le trinôme aquifères, sondes, PAC.

Activer le levier du mécanisme de compensation des gaz à effet de serre dans le cadre du programme genevois Géothermie 2020.

etc,…

8. Quelques idées pour la suite…

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Merci pour vos critiques et suggestions !

pascal.vinard@geospace-experts.comDr Pascal H. Vinard

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