Le stockage de chaleur enaquifère : une nouvelleperspective pour la géothermie

Philippe UNGERER(P78)

Directeur scientifiquede Institut Françaisdu Pétrole

Laurent LE BEL

Chargé de missionà la Direction de laRecherche du B.R.G.M.

Les besoins de chauffage et de fourniture d’eauchaude sanitaire représentent de l’ordre de 35% dela consommation nationale d’énergie, soit environ

700 TWh par an. Ces besoins sont assurés à hauteurde 60% environ par les combustibles fossiles (gaz natu-rel, fioul), 25% par l’électricité et 15% par la biomasse(bois de chauffage). En raison de l’importance descombustibles fossiles, ce secteur contribue de façonnotable à l’émission de gaz à effet de serre. Les acteursde recherche français sont aujourd’hui mobilisés pourtenter de réduire autant que possible ces émissions, etils envisagent toutes les techniques possibles pour sub-stituer des sources d’énergie alternatives au pétrole etau gaz naturel. Assurer la totalité de ces besoins parl’électricité est difficilement envisageable car l’essentielde la demande liée au chauffage est concentrée sur 3-4mois en saison froide. Comme on ne sait pas stockerl’énergie électrique au-delà de quelques heures deconsommation du réseau, il faudrait tripler le parc decentrales nucléaires pour chauffer tous les bâtimentsfrançais à l’électricité... Une des réponses complémen-taires possibles est la géothermie, c’est à dire l’utilisa-tion de la chaleur naturelle du sous-sol. Nous verronsdans cet article que cette source d’énergie ne s’est pasdéveloppée comme on aurait pu l’espérer, mais que l’onpeut aussi utiliser les aquifères pour stocker l’énergiethermique et apporter ainsi une solution intéressanteau problème posé par le caractère saisonnier desbesoins des bâtiments.

Les besoins en énergie pour lechauffage vont-ils diminuer rapidement ?

On entend souvent dire que les besoins en énergiethermique des bâtiments sont amenés à décroître rapi-dement avec la construction de bâtiments à haute effi-cacité énergétique, très bien isolés, dans lesquels oncherche à utiliser efficacement l’énergie (pompes à cha-leur) et à la récupérer (échangeurs). Le concept de“bâtiment à énergie positive” avancé par certains laissemême croire qu’en munissant chaque bâtiment de cap-teurs solaires, la consommation énergétique de ce sec-teur pourrait s’annuler à terme. La réalité est loin d’êtreaussi encourageante. En raison de leur coût très élevé etde la difficulté de les insérer dans les tissus urbainsexistants, les bâtiments à haute efficacité énergétiqueresteront rares parmi les constructions neuves. Leurimpact sera d’autant plus limité que le taux de renou-vellement de l’habitat n’est que de l’ordre de 1% par an :il faudra attendre plusieurs décennies pour qu’il com-mence à se faire sentir ! Certes, on peut - et on doit-aussi améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments

existants, mais là encore, la lourdeur des travaux faitque ces opérations ne concernent qu’un faible pour-centage des logements ou locaux chaque année. A l’op-posé, il ne faut pas ignorer les facteurs qui contribuentplutôt à augmenter les besoins énergétiques des bâti-ments: l’augmentation continue de la surface bâtie;l’augmentation de l’exigence de confort thermique liéeà une population vieillissante, et les exigences sani-taires accrues imposant un taux plus rapide de renou-vellement de l’air dans les locaux professionnels ou pri-vés. On peut donc craindre que les besoins en énergiethermique des bâtiments ne décroissent que très lente-ment ou se stabilisent pendant les décennies à venir.

Contribution actuelle de la géothermie

Les projets actuels de géothermie sont le plus souventfondés sur l’utilisation de deux forages (doublet géo-thermique), espacés de 1-2 km, le premier assurant leprélèvement de l’eau chaude d’un aquifère profond, ledeuxième servant à réinjecter l’eau refroidie. La nécessi-té de réinjecter l’eau est liée au souci de maintenir lapression dans l’aquifère et à l’impossibilité de rejeterl’eau prélevée dans les cours d’eau en raison de sa sali-nité. Compte tenu des gradients géothermiques (géné-ralement compris entre 20 et 40 °C/km) et des tempé-ratures exigées pour le chauffage dans l’habitat collectif(minimum 60°C) il faut exploiter des aquifères dont laprofondeur est de l’ordre de 1500 m ou plus. Dans lebassin de Paris, l’aquifère du Dogger répond bien à cebesoin et plusieurs projets ont été concrétisés à partirde 1980 (Maisons-Alfort, Créteil, Fresnes, ....), assurantainsi le chauffage de plusieurs dizaines de milliers delogements. Toutefois, l’impact global de la géothermiereste faible en France, puisque sa contribution totale(environ 1,5 TWh par an) stagne à 0,25% des besoinsnationaux. Quelles en sont les raisons ? Plus qu’à cer-taines difficultés techniques aujourd’hui maîtrisées(comme la corrosion) elles tiennent surtout au faiblecoût du gaz naturel jusqu’à présent. La géothermiepeut-elle redémarrer avec l’augmentation prévisible duprix du gaz ? Ce n’est pas certain. En effet, le flux géo-thermique naturel d’origine profonde est trop faiblepour compenser l’extraction: ce flux profond représen-te en général moins de 0,07 W/m2, alors que la chaleurextraite par un projet de géothermie moyen sur la sur-face drainée est largement supérieure à 1 W/m2. Quandbien même le flux naturel serait suffisant, la conducti-vité thermique des roches est trop faible pour permettreà la chaleur de se propager assez vite à travers les sédi-ments : au bout d’une vingtaine d’années, seule peutêtre drainée la chaleur des roches situées à 20 mètres de

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part et d’autre de l’aquifère exploité. La baisse des températuresest donc inéluctable quand l’eau froide réinjectée commence àrejoindre le puits de soutirage. Dans les opérations de géothermieactuelles, elle devrait, selon les plus récents modèles de l’aquifèredu Dogger, intervenir après 30 ans d’exploitation. Il est donc vrai-semblable que les projets de géothermie lancés dans les années1980 seront concernés par la baisse des températures au cours dela décennie à venir.

Intérêt du stockage de chaleuren aquifère profond

Le principe du stockage de chaleur en aquifère consiste à utiliserun doublet de forages similaire à ceux évoqués ci-dessus. Pendantla saison froide, l’exploitation est identique avec un soutiraged’eau chaude par le puits chaud et réinjection de l’eau refroidie parle puits froid. Pendant la saison chaude, on inverse le sens de cir-culation pour soutirer l’eau par le puits froid et la réinjecter dans lepuits chaud après l’avoir réchauffée à une température de l’ordrede 80°C. L’aquifère n’est donc pas utilisé comme une ressourced’énergie, mais comme un moyen de stockage d’énergie ther-mique à basse température, cette énergie pouvant être apportéependant l’été par diverses sources non émettrices de CO2 supplé-mentaire: récupération de chaleur de centrales, solaire, pompes àchaleur...

Par rapport au mode classique d’exploita-tion de la géothermie, un avantage impor-tant est de pouvoir utiliser des aquifèresdont la température naturelle n’est pas suf-fisante pour chauffer des logements. Cettetechnique permettrait par exemple d’ex-ploiter l’aquifère du Dogger dans une zonebeaucoup plus étendue du bassin de Paris.Pour autant, il ne faut pas espérer utiliserdes aquifères d’eau douce situés à faibleprofondeur, qui resteront réservés à l’ap-provisionnement en eau potable, mais uni-quement des aquifères salins. Tout commedans les projets de géothermie, il faudraprévoir des échangeurs thermiques pouréviter d’envoyer l’eau salée dans les circuitsde chauffage, qu’elle corroderait rapide-ment. Par rapport à d’autres modes destockage de l’énergie thermique commedes réservoirs construits en surface, lestockage en aquifère représente un coûtmoindre et une faible emprise au sol, cettedernière caractéristique étant essentielle enmilieu urbain.

Quelle expérience a-t-on déjà du stockagede chaleur en aquifère ? En France, deuxessais ont eu lieu en 1978 dans la plaine dela Crau et en 1985 dans les Yvelines. Dansles deux cas, ces essais n’ont pas étéconcluants mais on en connaît les raisons :vitesse significative des eaux de l’aquifèredans le premier cas, température excessive-ment élevée (180°C) entraînant colmatageet corrosion dans le deuxième cas. Plusrécemment, plusieurs projets ont utilisé

des aquifères pour le stockage de chaleur (ou de froid) enAllemagne (Reichstag de Berlin, Neubrandenbourg) ou enBelgique (banque KBC à Louvain) avec des résultats tout à faitencourageants. Par exemple, le pourcentage de chaleur récupéréedans l’exemple du Reichstag est supérieur à 70%.

Intégration dans les réseaux dechaleur existants

Même quand on dispose d’une source peu onéreuse, la distribu-tion de chaleur à basse température n’est pas toujours rentable enraison des investissements importants à consentir pour les canali-sations desservant les logements. Il est donc indiqué de s’appuyersur les réseaux de chaleur existants, où cet investissement est déjàfait, pour commencer à implanter des stockages de chaleur. Ilexiste environ 450 réseaux de chaleur en France desservant habi-tations, bureaux et autres locaux et assurant la fourniture de prèsde 40 TWh par an à trois millions d’occupants. Ces réseaux utili-sent surtout les combustibles fossiles, mais nombre d’entre euxrécupèrent déjà la chaleur d’usines d’incinération d’ordures. Enstockant en aquifère la chaleur récupérée pendant l’été, qui estperdue actuellement, ces réseaux pourraient chauffer davantage delogements ou se passer totalement des combustibles fossiles, encontrepartie d’un investissement limité (figures 1 et 2).

Figure 1 : utilisation d'un doublet géothermique pour stocker la chaleur récupérée d'usines(incinération d'ordures et autres) dans un aquifère profond en saison estivale

Figure 2 : Utilisation de l'eau chaude stockée et de la chaleur récupérée des usinespour alimenter un réseau de chaleur en saison hivernale.

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Si l’on ne peut pas récupérer les rejets thermiques d’une centralethermique ou d’une usine d’incinération, on peut aussi songer àdes capteurs solaires thermiques classiques pour fournir l’énergiethermique nécessaire en saison chaude. Les surfaces nécessairessont certes conséquentes (de l’ordre de quatre hectares pour 1000logements desservis) mais restent envisageables, avec des coûtsraisonnables. Dans une optique encore plus prospective, on peutaussi imaginer de récupérer les rejets thermiques des centralesnucléaires, quitte à modifier légèrement leurs paramètres opéra-toires pour qu’une partie des rejets soient plutôt à 70-80°C et nonà 30-40°C comme habituellement. Certes le coût des conduitesd’amenée d’eau chaude depuis les centrales jusqu’aux centresurbains serait important, mais elles pourraient être utilisées toutel’année pour approvisionner des stockages de chaleur l’été et deslogements l’hiver.

Conclusion

Le stockage de chaleur en aquifère apparaît comme le principalmoyen d’assurer le stockage saisonnier de l’énergie nécessaire à lapleine utilisation de sources d’énergie non émettrices de CO2 dansle domaine du bâtiment (chauffage et eau chaude sanitaire).Fondé sur des doublets de forages comparables à ceux déjà utili-sés en géothermie, il offre à ce domaine actuellement peu déve-

loppé une possibilité de rebondir. Le développement de ces tech-niques demande un effort de recherche-développement significa-tif pour maximiser les chances de réussite : positionnement opti-mal des forages, caractérisation des hétérogénéités des rochesréservoirs, suivi de l’évolution du stockage, prévention de la cor-rosion et des dépôts minéraux, maintien de la perméabilité desroches pendant l’exploitation, bilans économiques, entre autres.A côté du BRGM, principal organisme en charge de ce type derecherches, l’IFP peut apporter une contribution intéressante parl’utilisation appropriée des technologies spécifiques développéesen production pétrolière et en génie des procédés. Les conditionssont donc réunies pour l’essor du stockage de chaleur en aquifère.A quand les premiers projets ? ■

Après une maîtrise en sciences appliquées à l’Université de Montréal, PhilippeUngerer est rentré à l’IFP en 1980, où il a travaillé successivement à la modélisa-tion mathématique de la formation des gisements de pétrole, à la thermodyna-mique des fluides pétroliers et aux applications de la simulation moléculaire.Membre de la Direction scientifique, il anime à ce titre des actions de prospectivedans le domaine du stockage de chaleur et de l’utilisation industrielle de l’énergiesolaire.

Géologue et Docteur ès sciences, Laurent Le Bel est au BRGM depuis 1977 aprèsavoir exercé le métier d’explorateur minier en Afrique pour différentes sociétés.D’abord impliqué en recherche scientifique dans le cadre du GIS BRGM-CNRS “Métallogénie “, il a ensuite occupé des fonctions de management, successivementà la tête du Département Exploration, du Service géologique national, de laDirection de le Recherche et de la Compagnie française de Géothermie. Il estactuellement chargé de mission à la Direction de la Recherche.

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