Stockage Thermiqueaquifere URE Serres Rapport

Application du stockage thermique en aquifre au chauffage et au refroidissement de serres

marachres en France : tude de prfaisabilit Application of aquifer thermal energy storage for heating and

cooling of greenhouses in France : a prefeasibility study Rapport final

BRGM/RP-55481-FR avril 2007

Brgm Service Gologique Rgional Languedoc-

Roussillon 1039, rue de Pinville 34000 Montpellier

Tl. : 04 67 15 79 80

Ctifl Centre Technique Interprofessionnel des

Fruits et Lgumes BP 32

30127 Bellegarde Tl. : 04 66 01 10 54

Nathalie Courtois, Jean-Pierre Marchal, Andr Menjoz, Pascal Monnot, Yves Nol, Vincent Petit, Dominique Thiry (Brgm)

Ariane Grisey, Dominique Grasselly (Ctifl) Contrat ADEME n05 74 C0118 Juin 2006 Avril 2007 Responsable ADEME : Eric Vsine

Application du stockage thermique en aquifre au chauffage et au

refroidissement de serres marachres en France : tude de

prfaisabilit Rapport final

BRGM/RP-55481-FR avril 2007

tude ralise dans le cadre du projet de Recherche du BRGM ENER13

N. Courtois, J.P. Marchal, A. Menjoz, P. Monnot, Y. Nol, V. Petit, D. Thiry (Brgm)

A. Grisey, D. Grasselly (Ctifl)

Vrificateur : Nom : Alain DESPLAN

Date :

Signature :

(Ou Original sign par)

Approbateur : Nom : Marc AUDIBERT

Date :

Signature :

(Ou Original sign par)

Le systme de management de la qualit du BRGM est certifi AFAQ ISO 9001:2000.I

M 003 - AVRIL 05

Mots cls : Stockage thermique en aquifre, serres marachres, chauffage, refroidissement, changeurs thermiques, pompe chaleur, modlisation numrique, tude de sensibilit. En bibliographie, ce rapport sera cit de la faon suivante : Courtois N., Marchal JP., Menjoz A., Monnot P., Nol Y., Petit V., Thiry D., Grisey A. (Ctifl), Grasselly D. (Ctifl) (2007) - Application du stockage thermique en aquifre au chauffage et au refroidissement de serres marachres en France : tude de prfaisabilit. Rapport BRGM/RP-55481-FR, 243 pp., 94 ill., 8 ann. BRGM, 2007, ce document ne peut tre reproduit en totalit ou en partie sans lautorisation expresse du BRGM.

Application du stockage thermique en aquifre au chauffage et au refroidissement de serres marachres

BRGM/RP-55481-FR Rapport final 3

Synthse

En France, la surface totale des serres marachres chauffes est denviron 1300 ha. Elle concerne principalement une production de tomate et de concombre.

Depuis le dbut des cultures hors sol sous serre, la gestion du climat est devenue le maillon cl de la production. Loptimisation des paramtres climatiques, en prenant de plus en plus en compte la gestion de lnergie, fait donc partie des enjeux majeurs de la dcennie venir. Le chauffage est en effet le deuxime poste en terme de cot aprs la main duvre. Il est, par consquent, une proccupation majeure pour les serristes, proccupation qui sest accentue avec la hausse du prix des combustibles. Il est donc devenu primordial doptimiser la consommation en serre afin de raliser des conomies dnergie tout en conservant le potentiel de production.

Lenjeu de demain est de rendre les serres de plus en plus autonomes au niveau nergtique afin de permettre aux exploitations de rester comptitives sur un march de plus en plus concurrentiel et de rpondre une exigence environnementale de plus en plus importante telle que les missions de gaz effet de serre.

Aux Pays-Bas, plusieurs serres sont rchauffes et refroidies, en fonction de la saison, selon le principe du stockage thermique en aquifre, avec doublet de forages rversibles (c'est--dire servant alternativement de forage de pompage et de rinjection). Ce concept innovant, dont les premiers rsultats des Pays Bas sont prometteurs, permettrait une conomie dnergie de prs de 30% 80% selon les quipements et un gain de rendement de 15% li une meilleure matrise du climat et de la nutrition carbone. Un meilleur contrle du climat de la serre permet de limiter lentre des ravageurs et donc de diminuer les traitements phytosanitaires.

Afin dtudier les possibilits de mise en uvre de cette technique en France, le Ctifl a demand au Brgm de raliser une tude sur la faisabilit de stockage thermique en aquifre peu profond (infrieur 200 m) pour chauffer et refroidir les serres. Cette tude est cofinance par lADEME, le Ctifl, le Brgm et Viniflhor.

Lobjectif de la prsente tude est dtudier la prfaisabilit de ce systme au niveau technique, rglementaire, conomique et hydrogologique. En France, les conditions hydrogologiques et climatiques sont trs variables, aussi ltude de prfaisabilit sest volontairement limite en termes de contextes hydrogologiques (proche de celui du Ctifl de Balandran, prs de Nmes) et climatiques (sud-est et nord-ouest de la France, reprsents respectivement par les conditions climatiques de Nmes et de Nantes).

Cette tude de prfaisabilit sest droule sur 10 mois, de juin 2006 avril 2007. Elle couvre tous les aspects du cycle thermique, qui peut tre dcompos en trois parties en troite interaction : (1) le dimensionnement des besoins nergtiques de la serre, (2) le bilan thermique au niveau du systme dchange dans la serre, et enfin (3) le bilan thermique au niveau de laquifre.


4 BRGM/RP-55481-FR Rapport final

Au niveau des aspects hydrogologiques, ltude de prfaisabilit consiste inventorier les paramtres prendre en compte, et valuer leur influence relative sur la faisabilit et lefficacit du stockage thermique sur un site agricole donn. Cette tude est mene via une tude de sensibilit des paramtres la fois aquifres (gomtries, caractristiques hydrodynamiques et thermiques) et dexploitation (dbit de pompage/rinjection, distance entre forages du doublet) sur des rsultats de simulations numriques 3D des coulements et des transferts thermiques, avec le logiciel MARTHE, dvelopp par le Brgm.

Cette analyse de sensibilit sur modlisations numriques a permis dvaluer linfluence relative des diffrents paramtres sur lefficacit du stockage thermique en aquifre, en restant dans des gammes de valeurs drivant des caractristiques du site du Ctifl de Balandran. Elle a galement permis dillustrer la complexit des phnomnes qui entrent en jeu dans le stockage thermique en aquifre. Un mme paramtre pourra avoir la fois des effets positif et ngatif sur le stockage (paisseur de laquifre par exemple), ou bien encore avoir un effet positif dans une gamme de valeurs et ngatif dans une autre en fonction des valeurs des autres paramtres (le dbit dexploitation jouera en positif ou ngatif en fonction de lpaisseur de laquifre et de la distance entre forages par exemple). Cette interdpendance des diffrents paramtres est mise en exergue dans lanalyse de sensibilit. Le taux de rcupration de lnergie stocke varie de 0% des valeurs trs significatives (74%). La conclusion retenir est que chaque site est un cas particulier, qui ncessitera un dimensionnement prcis en fonction de son contexte hydrogologique.

Que ce soit au puits froid ou au puits chaud, on voit que la vitesse naturelle dcoulement de laquifre est le facteur qui va le plus conditionner lefficacit du stockage thermique. La distance entre les forages est un paramtre important galement, pour limiter les interfrences entre stocks deau.

Si le principe de stockage dnergie thermique en aquifre est dj oprationnel depuis plusieurs annes, en particulier aux Pays-Bas, il nen demeure pas moins que la technologie nest pas directement transposable dun site lautre, car son applicabilit est compltement conditionne par les caractristiques hydrogologiques locales du site. La condition sine (a)qua non pour quun systme de stockage thermique en aquifre puisse tre envisag sur un site agricole donn est bien sr la prsence, sous ce site, dun aquifre capable la fois de fournir un dbit suffisant et prenne, de permettre la rinjection de ce mme dbit, et la rcupration de lnergie stocke la saison prcdente, avec un taux de restitution acceptable. Cette technique est donc exigeante en termes de conditions aquifres remplir, et implique des investissements consquents. Aucune zone nest donc exclue a priori, mais ncessitera une tude au cas par cas.

Pour cette tude, une approche des besoins nergtiques pour le chauffage et le refroidissement dans le Sud-Est et le Nord-Ouest de la France a t ralise. Cela permet de fixer des ordres de grandeur quil conviendra daffiner en fonction des quipements (caractristiques des changeurs, de la pompe chaleur et des rservoirs) pour la ralisation dun projet.



Sommaire

1. Introduction.............................................................................................................13

1.1. CONTEXTE : LES SERRES ET LENERGIE ....................................................13

1.2. PRESENTATION DE LETUDE BRGM CTIFL - ADEME ...............................14 1.2.1. Principe du stockage thermique en aquifre ............................................14 1.2.2. Objectif et programme de ltude de prfaisabilit ...................................17

2. Dimensionnement des besoins nergtiques en serre.......................................19

2.1. LISTE DES SYMBOLES....................................................................................19

2.2. BILAN THERMIQUE DE LA SERRE .................................................................19 2.2.1. Les apports solaires .................................................................................19 2.2.2. Les dperditions thermiques ....................................................................21 2.2.3. Bilan thermique- Besoins en chauffage....................................................22 2.2.4. Bilan thermique- Besoins en refroidissement ...........................................25 2.2.5. Etude de cas rels....................................................................................27

3. Bilan thermique au niveau du systme dchange .............................................29

3.1. LE SYSTEME DECHANGE ..............................................................................29 3.1.1. Les quipements ......................................................................................29 3.1.2. Calcul des dbits deau ncessaires ........................................................31 3.1.3. Dimensionnement thermique avec les changeurs FiWiHEX ..................36

4. Stockage thermique en aquifre : un rapide tat de lart....................................39

4.1. GEOTHERMIES ET STOCKAGE THERMIQUE ...............................................39 4.1.1. Des gothermies ................................................................................39 4.1.2. Diffrentes utilisations de lnergie dans le proche sous-sol ....................41 4.1.3. Exploitation gothermique des aquifres peu profonds ...........................43

4.2. QUELQUES EXEMPLES DAPPLICATIONS DE PAR LE MONDE..................44 4.2.1. Des expriences de recherche grandeur nature ................................45 4.2.2. Des applications oprationnelles..............................................................51

4.3. EN CONCLUSION.............................................................................................52



5. Principe du stockage thermique en aquifre : notions, grandeurs, quations et units.......................................................................................................................53

5.1. NOTIONS DHYDROGEOLOGIE...................................................................... 53 5.1.1. Leau dans le sous-sol ............................................................................. 53 5.1.2. Principales quations de lhydrodynamique............................................. 57

5.2. NOTIONS DE THERMIQUE DU SOUS-SOL : PROCESSUS EN JEU ............ 59

5.3. EN CONCLUSION ............................................................................................ 65

6. Analyse de sensibilit du stockage thermique en aquifre par modlisation numrique ...............................................................................................................67

6.1. INTRODUCTION............................................................................................... 67 6.1.1. Principe et intrt de la mthode utilise pour la prsente tude ............ 67 6.1.2. Lintrt des outils numriques ................................................................ 68

6.2. MODELE ET JEUX DE PARAMETRES UTILISES........................................... 70 6.2.1. Prsentation du logiciel MARTHE............................................................ 70 6.2.2. Prsentation du modle utilis pour ltude ............................................. 70 6.2.3. Paramtres utiliss pour ltude de sensibilit ......................................... 72 6.2.4. Mthodes de comparaison des rsultats de simulations ......................... 75

6.3. RESULTATS DE LANALYSE DE SENSIBILITE .............................................. 77 6.3.1. Influence de la vitesse dcoulement de la nappe ................................... 78 6.3.2. Influence de la permabilit ..................................................................... 87 6.3.3. Influence de la porosit efficace............................................................... 89 6.3.4. Influence des dispersivits longitudinale et transversale ......................... 93 6.3.5. Influence de lpaisseur de la couverture................................................. 96 6.3.6. Influence de lpaisseur de laquifre..................................................... 102 6.3.7. Influence du dbit de pompage / rinjection .......................................... 105 6.3.8. Influence de la distance entre les forages.............................................. 111 6.3.9. Influence des conditions climatiques...................................................... 121

6.4. CONCLUSIONS ..............................................................................................124 6.4.1. Synthse des rsultats de lanalyse de sensibilit ................................. 124 6.4.2. Evaluation de la prfaisabilit sur le site du Ctifl de Balandran ............. 125

7. Estimation financire des cots dinvestissement et de maintenance........... 133

7.1. LES ETAPES DE LA MISE EN UVRE......................................................... 133 7.1.1. Prambule..............................................................................................133 7.1.2. Les tapes.............................................................................................. 134



7.2. CRITERES DE CONCEPTION DE LA BOUCLE GEOTHERMIQUE DIMENSIONNEMENT DES EQUIPEMENTS..................................................137 7.2.1. Forages ..................................................................................................138 7.2.2. Crpines et tubes ...................................................................................143 7.2.3. Pompe ....................................................................................................145 7.2.4. Conduites ...............................................................................................146 7.2.5. Filtre........................................................................................................147 7.2.6. Echangeur intermdiaire ........................................................................147 7.2.7. Pompe de circulation ..............................................................................148 7.2.8. Pertes de charge prendre en considration ........................................148 7.2.9. Moyens de mesure et de suivi ................................................................151

7.3. MAINTENANCE...............................................................................................152 7.3.1. Surveillance du (ou des) forage(s) et des quipements d'exploitation ...152 7.3.2. Entretien .................................................................................................153

7.4. EVALUATION DES COUTS DINVESTISSEMENTS ET DEXPLOITATION..154 7.4.1. Investissements initiaux..........................................................................154 7.4.2. Charges dexploitation ............................................................................157 7.4.3. Quelques exemples de cots .............................................................161

7.5. DISPOSITIFS DINCITATION..........................................................................166 7.5.1. Aides la dcision..................................................................................166 7.5.2. Aides linvestissement .........................................................................166

7.6. CRITERES DEVALUATION............................................................................167 7.6.1. Priode de recouvrement de linvestissement........................................168 7.6.2. Valeur actualise nette ...........................................................................168 7.6.3. Taux de rendement interne ....................................................................168

8. Aspects rglementaires et administraifs............................................................169

8.1. AVERTISSEMENT EN PREAMBULE .........................................................169 8.1.1. Exploitation deaux souterraines et des calories de leau.......................169 8.1.2. Le cas particulier du stockage thermique en aquifre ............................169

8.2. CODE MINIER EXPLOITATION DE GITES GEOTHERMIQUES................170 8.2.1. Ralisation des ouvrages .......................................................................170 8.2.2. Permis de recherche et dexploitation des calories de leau...................170 8.2.3. Demande douverture de travaux ...........................................................171

8.3. CODE DE LENVIRONNEMENT - EXPLOITATION DES EAUX SOUTERRAINES ............................................................................................172



8.3.1. Ralisation des ouvrages....................................................................... 172 8.3.2. Prlvements ......................................................................................... 173 8.3.3. Recharge artificielle des eaux souterraines ........................................... 174 8.3.4. Rejets .....................................................................................................174

9. Conclusions et perspectives............................................................................... 177

9.1. STOCKAGE THERMIQUE SUR UN SITE : Y ALLER OU PAS ?................... 177 9.1.1. Leau la base ..................................................................................177 9.1.2. Lhydrogologie est une science naturelle ........................................ 178 9.1.3. Caractrisation hydrogologique dun site ............................................. 178 9.1.4. Quelques rgles pour un fonctionnement prenne des installations ..... 180

9.2. PERSPECTIVES............................................................................................. 182

10. Liste des publications faisant tat des travaux.......................................... 185

11. Bibliographie .................................................................................................187

Liste des illustrations

Illustration 1 Schma de principe du stockage thermique en aquifre pour le chauffage et le refroidissement de serres ................................................................................... 16 Illustration 2 Principe de la serre capteur solaire ............................................................... 20 Illustration 3 Exemples de transmission PAR selon les matriaux .......................................... 20 Illustration 4 Rayonnement solaire pour Bellegarde (Nmes) et Carquefou (Nantes).............. 21 Illustration 5 Les transferts thermiques dans la serre............................................................... 22 Illustration 6 Exemple de dimensionnement des besoins en chauffage dune serre Bellegarde (conditions climatiques de Nmes) ............................................................................ 24 Illustration 7 Exemple de dimensionnement des besoins en chauffage dune serre Carquefou (conditions climatiques de Nantes)............................................................................ 24 Illustration 8 Consommation nergtique par mois Bellegarde et Carquefou....................... 25 Illustration 9 Exemple de dimensionnement des besoins en refroidissement dune serre Bellegarde (conditions climatiques de Nmes) ................................................................ 26 Illustration 10 Exemple de dimensionnement de besoins en refroidissement dune serre Carquefou (conditions climatiques de Nantes) ............................................................... 27 Illustration 11 - Moyenne des consommations nergtiques par bassin (Source : Etude URE ADEME, 2007) .................................................................................................................... 28 Illustration 12 Principe de fonctionnement dune pompe chaleur.......................................... 31



Illustration 13 Schma de fonctionnement PAC compression (cas de la production de chaleur) ...................................................................................................................................31 Illustration 14 - Temprature au niveau du systme dchanges ................................................32 Illustration 15 Evolution du dbit en fonction de la diffrence de temprature .........................32 Illustration 16 Evolution du dbit moyen par mois ....................................................................33 Illustration 17 Evolution du dbit maximal par mois..................................................................34 Illustration 18 Comparaison des nombres dheures de fonctionnement en fonction des classes de dbit pour Bellegarde et Carquefou...........................................................................34 Illustration 19 Quantit deau produite par mois Bellegarde (Nmes) ....................................35 Illustration 20 Quantit deau produite par mois Carquefou (Nantes) ...................................35 Illustration 21 Les difrents types de gothermies en fonction de lnergie .............................40 Illustration 22 Les diffrentes utilisations de la gothermie en fonction des tempratures ................................................................................................................................41 Illustration 23 Dispositifs dexploitation de pompes chaleur sur nappe .................................42 Illustration 24 Exemples dinstallations de sondes gothermiques verticales ou horizontales..................................................................................................................................43 Illustration 25 Colonne stratigraphique et coupe technique de forage (Carotenuto et al., 1991) ......................................................................................................................................48 Illustration 26 Comparaison des tempratures mesures et modlisees (Carotenuto et al., 1991) ..................................................................................................................................49 Illustration 27 Schma du systme de stockage thermique (Allen & Bridger, 2003)................50 Illustration 28 Principaux terrains aquifres de France (Collin, 2004) ......................................54 Illustration 29 Diffrents types de nappe...................................................................................56 Illustration 30 Exemple de carte pizomtrique........................................................................56 Illustration 31 Carte hydrogologique structurale de la France (Margat, 1986) .......................57 Illustration 32 Schma de principe de linstallation avec les phnomnes hydrodynamiques et thermiques en jeu dans laquifre ..............................................................60 Illustration 33 Tableau rcapitulatif des grandeurs physiques et des units hydrodynamiques et thermiques..................................................................................................65 Illustration 34 Rcapitulatif des facteurs tests par modlisation numrique (en rouge) .........68 Illustration 35 Calendrier de pompage/injection retenu dans les simulations numriques ..................................................................................................................................71 Illustration 36 Vue du maillage utilis en vue de dessus ..........................................................73 Illustration 37 Vue du maillage utilis en coupe verticale .........................................................73 Illustration 38 Tableau rcapitulatif des paramtres de modlisation utiliss...........................74 Illustration 39 Comparaison des tempratures des panaches deau rchauffe et deau refroidie pour les simulations bal3A1, bal3A2, et bal3A3...................................................80



Illustration 40 Comparaison des tempratures silmules pour trois gradients hydrauliques : 0, 0,4 et 2 (avec une permabilit de 5.10-3 m/s et une porosit de 15%)............................................................................................................................................. 81 Illustration 41 Comparaison des puissances thermiques utiles pour trois gradients hydrauliques : 0, 0,4 et 2 (avec une permabilit de 5.10-3 m/s et une porosit de 15%)............................................................................................................................................. 82 Illustration 42 Comparaison des tempratures des panaches deau rchauffe et deau refroidie pour les simulations Sup8, Cap3 et Capt3A........................................................ 84 Illustration 43 Comparaison des tempratures silmules pour trois permabilits : 5.10-4, 5.10-3 et 2,5.10-2 m/s (avec un gradient de 0,4 et une porosit de 15%) ..................... 85 Illustration 44 Comparaison des puissances thermiques utiles pour trois permabilits : 5.10-4, 5.10-3 et 2,5.10-2 m/s (avec un gradient de 0,4 et une porosit de 15%) ....................................................................................................................................... 86 Illustration 45 Comparaison des charges hydrauliques (exprimes en m) simules la fin dun cycle de pompage/rinjection de 4 mois pour deux permabilits de 5.10-3 et 5.10-4 m/s ..................................................................................................................................... 88 Illustration 46 Comparaison des rabattements et relvements (exprims en m) simuls la fin dun cycle de pompage/rinjection de 4 mois pour deux permabilits de 5.10-3 et 5.10-4 m/s.................................................................................................................. 88 Illustration 47 Variation des paramtres thermiques aquifres en fonction de la porosit (suppose saturation) avec s = 2,35 W/m/C, et s = 1,72 MJ/m3/C ....................... 89 Illustration 48 Comparaison des tempratures simules pour deux porosits de 5 et 30% (avec une permabilit de 3,75.10-4 m/s, et un gradient de 2,5)..................................... 91 Illustration 49 Comparaison des puissances thermiques utiles pour deux porosits de 5 et 30% (avec une permabilit de 3,75.10-4 m/s, et un gradient de 2,5).............................. 92 Illustration 50 Comparaison des tempratures simules pour des dispersivits longitudinale et transversale divises par deux (pour une permabilit de 5.10-3 m/s et un gradient de 0,4)................................................................................................................... 94 Illustration 51 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des dispersivits longitudinale et transversale divises par deux (pour une permabilit de 5.10-3 m/s et un gradient de 0,4)................................................................................................................... 95 Illustration 52 Comparaison des tempratures simules pour des paisseurs de couverture de 5 et 20 m (pour une paisseur daquifre de 25 m) ............................................. 97 Illustration 53 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des paisseurs de couverture de 5 et 20 m (pour une paisseur daquifre de 25 m) ............................................. 98 Illustration 54 Comparaison des tempratures simules pour des paisseurs de couverture de 5 et 20 m (pour une paisseur daquifre de 10 m) ........................................... 100 Illustration 55 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des paisseurs de couverture de 5 et 20 m (pour une paisseur daquifre de 10 m) ........................................... 101 Illustration 56 Comparaison des tempratures simules pour des paisseurs daquifre de 25 et 10 m (pour une paisseur de couverture de 20 m) .................................... 103 Illustration 57 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des paisseurs daquifre de 25 et 10 m (pour une paisseur de couverture de 20 m) .................................... 104



Illustration 58 Comparaison des tempratures simules pour trois dbits dexploitation de 25, 50 et 100 m3/h (paisseur aquifre de 25 m, et distance entre forages de 200 m)........106 Illustration 59 Comparaison des puissances thermiques utiles pour trois dbits dexploitation de 25, 50 et 100 m3/h (paisseur aquifre de 25 m, et distance entre forages de 200 m) ......................................................................................................................107 Illustration 60 Comparaison des tempratures simules pour trois dbits dexploitation de 25, 50 et 100 m3/h (paisseur aquifre de 10 m, et distance entre forages de 150 m)........109 Illustration 61 Comparaison des puissances thermiques utiles pour trois dbits dexploitation de 25, 50 et 100 m3/h (paisseur aquifre de 10 m, et distance entre forages de 150 m) ......................................................................................................................110 Illustration 62 Comparaison des tempratures simules pour des distances entre forages de 150 et 200 m (pour un dbit de 50 m3/h) .................................................................112 Illustration 63 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des distances entre forages de 150 et 200 m (avec un dbit de 50 m3/h) .......................................................113 Illustration 64 Comparaison des tempratures simules pour des dbits de 50 et 25 m3/h, et une distance entre forages de 150 m ...........................................................................115 Illustration 65 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des dbits de 50 et 25 m3/h, et une distance entre forages de 150 m..................................................................116 Illustration 66 Comparaison des tempratures des panaches deau rchauffe et deau refroidie pour les simulations bal20, Forage200, et Q25 .................................................117 Illustration 67 Comparaison des tempratures simules pour des dbits de 50 et 100 m3/h, et une distance entre forages de 150 m ...........................................................................119 Illustration 68 Comparaison des puissances thermiques utiles pour des dbits de 50 et 100 m3/h, et une distance entre forages de 150 m................................................................120 Illustration 69 Comparaison des tempratures simules pour les conditions climatiques de Nmes et de Nantes ...........................................................................................122 Illustration 70 Comparaison des puissances thermiques utiles pour les conditions climatiques de Nmes et de Nantes ...........................................................................................123 Illustration 71 Gologie simplifie du site du Ctifl de Balandran, prs de Nmes ...................125 Illustration 72 Variations pizomtriques enregistres sur le site du Ctifl de Balandran........126 Illustration 73 Rsultat de lessai de pompage par paliers sur le site du Ctifl de Balandran...................................................................................................................................127 Illustration 74 Tableau rcapitulatif des simulations numriques effectues : paramtres .................................................................................................................................129 Illustration 75 Tableau rcapitulatif des simulations numriques effectues : principaux rsultats ....................................................................................................................131 Illustration 76 Exactitude des estimations de cots de projet (Gordon, 1989) .......................133 Illustration 77 Schma technique type dun dispositif de stockage thermique en aquifre ......................................................................................................................................138 Illustration 78 Elments de cot dun forage...........................................................................139 Illustration 79 Logigramme pour le choix des caractristiques des forages ...........................140



Illustration 80 Comparaison des diamtres intrieurs des tubes dinjection (un ou deux tubes) ................................................................................................................................ 142 Illustration 81 Exemple damnagement de la chambre de pompage (en coupe)................. 142 Illustration 82 Diamtres thoriques de crpines ................................................................... 144 Illustration 83 Vitesses critiques dans les crpines ................................................................ 144 Illustration 84 Caractristiques moyennes pour le corps de pompe ...................................... 145 Illustration 85 Exemple de puissance installe (en kW) de pompes immerges en fonction du dbit sollicit et de la hauteur de refoulement (en m)............................................. 145 Illustration 86 Optimisation des diamtres de conduites ........................................................ 147 Illustration 87 Exemple de calcul de pertes de charges singulires....................................... 150 Illustration 88 Evaluation des cots lectriques ..................................................................... 159 Illustration 89 Exemple de cots pour les Pays-Bas (daprs van Hove, 1993) .................... 164 Illustration 90 Exemple de cots de pompes immerges, hors mise en place, pour des hauteurs manomtriques denviron 60 m ........................................................................... 165 Illustration 91 Principales procdures rglementaires relatives au Code Minier ................... 172 Illustration 92 Principales procdures rglementaires relatives au Code de lEnvironnement ......................................................................................................................... 175 Illustration 93 Les trois commandements du stockage thermique en aquifre ...................... 177 Illustration 94 Rcapitulatif des paramtres et des mthodes de dtermination associes aux stades de ltude de prfaisabilit et du dimensionnement dun projet............. 180

Liste des annexes

Annexe 1 Glossaire hydrogologique....................................................................................... 195 Annexe 2 Grandeurs et units thermiques............................................................................... 201 Annexe 3 Compte-rendu de mission aux Pays-Bas, avril 2006 ............................................... 205 Annexe 4 Synthse destine aux exploitants serristes ............................................................ 217 Annexe 5 La corrosion et lincrustation dans les forages deau ............................................... 225 Annexe 6 Effet de la temprature sur la vitesse de Darcy ....................................................... 229 Annexe 7 Garantie AQUAPAC ................................................................................................. 233 Annexe 8 Rsultats de simulations numriques ...................................................................... 239



1. Introduction

1.1. CONTEXTE : LES SERRES ET LENERGIE

En France, la surface totale des serres marachres chauffes est denviron 1300 ha. Elle concerne principalement une production de tomate et de concombre.

Depuis le dbut des cultures hors sol sous serre, la gestion du climat est devenue un des maillons cl de la production. Loptimisation des paramtres climatiques, en prenant de plus en plus en compte la gestion de lnergie, fait donc partie des enjeux majeurs de la dcennie venir.

Le chauffage est en effet le deuxime poste en terme de cot aprs la main duvre et suite aux diverses augmentations du prix des combustibles, il est devenu primordial doptimiser la consommation en serre afin de raliser des conomies dnergie tout en conservant le potentiel de production.

Lenjeu de demain est de rendre les serres de plus en plus autonomes au niveau nergtique afin de permettre aux exploitations de rester comptitives sur un march de plus en plus concurrentiel et de rpondre une exigence environnementale de plus en plus importante telle que les missions de gaz effet de serre.

Au vu du contexte nergtique actuel et des derniers chiffres disponibles sur lnergie et les serres datant de 1993, lADEME a fait raliser une tude concernant lutilisation rationnelle de lnergie dans le secteur des serres afin de mieux apprhender les volutions du secteur, dapprcier les marges de progrs et didentifier les leviers daction. Cette tude a t ralise par le Ctifl, lAstredhor et lINH et finalise en mars 2007 (ADEME, 2007). Ce travail a permis de raliser un tat des lieux sur lutilisation de lnergie dans les serres pour la campagne 2004-2005 et a t suivi dune rflexion sur les leviers daction envisageables court, moyen et long terme pour rduire les consommations nergtiques et pour adapter le mix nergtique la situation actuelle.

La serre est un capteur dnergie solaire qui nest cependant pas exploit en totalit. Le principe de la serre capteur dnergie est dquiper une serre pour rcuprer, stocker et utiliser lexcdent dnergie pour chauffer la serre. Ce concept permet de rendre la serre plus autonome au niveau nergtique et ainsi de rduire ses consommations.

Plusieurs tudes ont t menes dans les annes 1980 en considrant la serre comme un capteur solaire avec accumulation de chaleur :

- dans un produit changement de phase ;

- dans le sol (stockage de lnergie au niveau de blocs de bton, galets, ou tubes plastique enfouis dans le sol).



Ces tudes faisaient suite aux deux chocs ptroliers conscutifs qui ont eu pour consquence une augmentation du prix des combustibles.

En conditions exprimentales, ces systmes ont permis de substantielles conomies dnergie mais se sont heurts des problmes techniques et des cots dinvestissement importants, dautant que le prix des combustibles a rapidement baiss au cours des annes suivantes.

Nanmoins, et avec les progrs techniques raliss, les systmes permettant de raliser des conomies dnergie, plus particulirement utilisant des nergies renouvelables, retrouvent leur intrt dans le cadre de la crise nergtique actuelle, dautant quelle se double dune crise climatique et environnementale.

1.2. PRESENTATION DE LETUDE BRGM CTIFL - ADEME

1.2.1. Principe du stockage thermique en aquifre

Aux Pays-Bas, plusieurs serres sont rchauffes et refroidies, en fonction de la saison, selon le principe du stockage thermique en aquifre (Illustration 1) :

- en t, leau souterraine est pompe dans un premier forage (appel puits froid ), refroidit la serre en se rchauffant (elle emmagasine ainsi la chaleur pige dans la serre pendant cette priode estivale), et est rinjecte ( 18 C environ) dans le mme aquifre via le deuxime forage (appel puits chaud ) ;

- pendant la priode hivernale, le systme sinverse pour tirer profit de cette chaleur emmagasine lt prcdent : leau est pompe au puits chaud , rchauffe la serre en se refroidissant, et est rinjecte dans laquifre ( +6C environ) pour tre rutilise lt suivant.

Dans les exemples rencontrs aux Pays-Bas (cf. 4.2), les aquifres concerns par le stockage thermique ont des profondeurs comprises entre 40 et 150 m environ. On reste donc dans le domaine du relativement peu profond .

Cette technique de doublet de forages rversibles avec pompage et rinjection dans chacun dentre eux, prsente deux principaux avantages :

- elle permet au dispositif dtre rversible, en refroidissant la serre lt, et en la rchauffant lhiver ;

- la rinjection maintient le potentiel hydraulique de laquifre, contrairement au systme puits unique en circuit ouvert o leau pompe est envoye vers lextrieur (dans un cours deau par exemple), ce qui dune part ne permet pas le stockage dnergie, et dautre part, peut entraner une surexploitation hydraulique de laquifre.

Le refroidissement opr en t permettrait denvisager de maintenir la serre ferme une grande partie de lanne, de mieux matriser le climat, de conserver des teneurs en CO2 optimales, daugmenter la productivit, et de limiter les risques dattaques dinsectes et de maladies.



Le circuit deau rchauffe/refroidie en provenance de laquifre peut sapparenter un circuit primaire dans tout le systme de climatisation rversible de la serre. Lnergie est ensuite change avec un circuit secondaire , le plus gnralement via des changeurs plaques. Il ny a donc pas de contact direct entre les eaux des diffrents circuits.



a) En t : leau pompe dans le puits froid se rchauffe en refroidissant la serre, et est rinjecte dans le puits chaud

b) En hiver : leau pompe dans le puits chaud se refroidit en rchauffant la serre, et est rinjecte dans le puits froid

Illustration 1 Schma de principe du stockage thermique en aquifre pour le chauffage et le refroidissement de serres



1.2.2. Objectif et programme de ltude de prfaisabilit

a) Objectif

Afin dtudier les possibilits de mise en uvre de cette technique en France, le Ctifl a demand au Brgm de raliser une tude sur la faisabilit de stockage thermique en aquifre peu profond (infrieur 200 m) pour chauffer et refroidir les serres. Cette tude est cofinance par lADEME, le Ctifl, le Brgm et Viniflhor.

Lobjectif de la prsente tude est dtudier la prfaisabilit de ce systme au niveau technique, rglementaire, conomique et hydrogologique. En France, les conditions hydrogologiques et climatiques sont trs variables, aussi ltude de prfaisabilit sest volontairement limite en termes de contextes hydrogologique et climatique :

- le contexte hydrogologique de rfrence est proche de celui du site du Ctifl de Balandran (aquifre peu profond, sous faible couverture). Ce choix tait motiv en particulier par le fait que ce site (sil sy prte) pourrait faire office de site de dmonstration et de mise au point technique de la mthode, avec linstallation dune serre exprimentale ;

- deux contextes climatiques du Sud-Est (Nmes) et du Nord-Ouest (Nantes) ont t cibls. Ce choix a t motiv la fois par les contrastes climatiques qui existent entre ces deux zones (au niveau de lensoleillement, et des tempratures de lair principalement), et par la rpartition des fortes rgions de production sous serres en France (Sud-Est et Nord-Ouest).

b) Un programme en trois phases

Cette tude de prfaisabilit sest droule sur 10 mois, de juin 2006 avril 2007. Elle couvre tous les aspects du cycle thermique, qui peut tre dcompos en trois parties en troite interaction : (1) le dimensionnement des besoins nergtiques de la serre, (2) le bilan thermique au niveau du systme dchange dans la serre, et enfin (3) le bilan thermique au niveau de laquifre. Ltude a donc t dcompose en trois phases de travail, suivant ces lments du cycle.

Phase 1 : dimensionnement des besoins nergtiques de la serre (Ctifl) Cette premire phase concerne le dimensionnement des besoins nergtiques de la serre, la fois en chauffage et en refroidissement. Ce dimensionnement est ralis pour les deux contextes climatiques du Sud-Est (Bellegarde prs de Nmes) et du Nord-Ouest (Carquefou prs de Nantes) de la France. Les calculs ont t tablis partir dune tude ralise pour ce projet par lUniversit de Wageningen.

Phase 2 : bilan thermique au niveau du systme dchange dans la serre (Ctifl)

A partir des besoins nergtiques dfinis lors de la phase 1, un bilan thermique est ralis au niveau du systme dchange install dans la serre. Ce dimensionnement



permettra de calculer les dbits deau au niveau de laquifre. Les calculs ont t tablis partir dune tude ralise pour ce projet par lUniversit de Wageningen. Un calcul de dimensionnement est galement effectu dans avec un type dchangeurs (FiWiHEX). Contrairement ce qui avait t prvu dans ltude initiale le dimensionnement sans pompe chaleur ne sera pas effectu. En effet, il sest rapidement avr quil ntait pas envisageable de raliser une installation sans pompe chaleur.

Cette deuxime phase permet de dfinir les besoins thermiques qui devront tre couverts par laquifre, ce qui se traduit principalement par la dfinition des lments suivants :

- tempratures dinjection au puits chaud et au puits froid ;

- dbits de pompage/injection au puits chaud et au puits froid ;

- calendrier dexploitation sur un cycle annuel (priodes de pompage/injection, et priodes de repos en fonction de la saison).

Phase 3 : bilan thermique au niveau de laquifre (Brgm) Au niveau des aspects hydrogologiques, ltude de prfaisabilit consiste inventorier les paramtres prendre en compte, et valuer leur influence relative sur la faisabilit et lefficacit du stockage thermique sur un site agricole donn. Cette tude est mene via une tude de sensibilit des paramtres la fois aquifres (gomtries, caractristiques hydrodynamiques et thermiques) et dexploitation (dbit de pompage/rinjection, distance entre forages du doublet) sur des rsultats de simulations numriques 3D des coulements et des transferts thermiques, avec le logiciel MARTHE, dvelopp par le Brgm. Les gammes de paramtres testes sont dfinies en fonction des rsultats des phases 1 et 2. Une valuation de la prfaisabilit sur le site du Ctifl de Balandran est donne dans les conclusions de ltude de sensibilit.

Cette tude de sensibilit est complte par un aperu du contexte administratif et rglementaire qui sapplique au stockage thermique en aquifre peu profond, ainsi que par une valuation des cots dinvestissements et de maintenance relatifs aux aspects hydrogologiques.

Enfin, une synthse (Annexe 4) qui sera largement diffuse aux serristes, rcapitule les paramtres hydrogologiques prendre en considration, donne des indications sur les mthodes possibles destimation de ces paramtres, et enfin brosse un rapide aperu des principaux risques associs cette technique, en y associant des conseils de mise en uvre sur site. Ce document ne permettra pas de faire un vritable calcul de dimensionnement de linstallation sur un site donn, celui-ci relevant dune tude plus approfondie au cas par cas.



2. Dimensionnement des besoins nergtiques en serre

2.1. LISTE DES SYMBOLES

Symboles Units Signification

Cv J. m-3.K-1 Capacit calorifique de lair de la serre K W.m-2.K-1 Coefficient global de transmission thermique U W.m-2.K-1 Coefficient dchange correspondant la ventilation R W.m-2 Rayonnement solaire global journalier reu sur une surface

horizontale lair libre trans Coefficient Tair C Temprature de lair dans la serre Text C Temprature de lair extrieur Tin C Temprature de lair lintrieur de la serre (temprature de

consigne) V m.s-1 Vitesse du vent

2.2. BILAN THERMIQUE DE LA SERRE

La premire fonction de la serre est demprisonner le maximum de chaleur. Le rayonnement qui pntre dans labri va chauffer le sol, les plantes et les parois.

Ces corps vont mettre des infrarouges de grandes longueurs donde vers la couverture. Le matriau de couverture absorbe une partie de ces radiations et va les rmettre vers lintrieur de la serre ; la chaleur est ainsi pige.

2.2.1. Les apports solaires

Les apports solaires varient selon le lieu, la saison et lheure. Le rayonnement reu par la couverture nest pas transmis dans sa totalit la serre.

Une partie des rayonnements pntre dans la serre, mais une partie non ngligeable est rflchie ou absorbe par la structure. En moyenne, pour les nouvelles serres, 80 % de lnergie solaire pntrent dans la serre (Illustration 2).



Infrarouge Long

70 % - 80 %

Pertes

Illustration 2 Principe de la serre capteur solaire

Quelques exemples de transmission PAR1 sont donns selon les matriaux dans le tableau suivant (Illustration 3).

Matriau de couverture Coefficient global de

transmission thermique (W/m K)

Coefficient de transmission

PAR (%)

Prix indicatif (/m)

Verre 5 - 6 90 5 -16 Polycarbonate 3 80 - 85 13 - 18 Lexan Zig Zag (polycarbonate)

2,7 90 25 - 3 0

Polythylne 7 - 8 90 0,5 - 0,8 ETFE (fluororsine Fluon) 5 - 7 94 10 - 12

Illustration 3 Exemples de transmission PAR selon les matriaux

La partie qui pourrait tre capte et stocke est lnergie solaire qui aura pntr dans la serre moins ce qui aura t absorb par les plantes.

LIllustration 4 permet de comparer le rayonnement solaire de Bellegarde et de Carquefou. On constate que Bellegarde reoit 20 % dnergie solaire en plus que Carquefou. Le rayonnement solaire maximal est de 1044 W/m sur Bellegarde et de 942 W/m sur Carquefou.

1 PAR : Photosynthetically Active Radiation (rayonnement photosynthtique utile). Ce sont les radiations de longueurs donde comprises entre 400 nm et 700 nm qui sont les plus efficaces pour la photosynthse.



Rayonnement solaire global Anne 2005

(GJ/m) Bellegarde 5,8 Carquefou 4,6

Evolution au cours d'une anne du rayonnement solaire global (Anne 2005)

0

20

40

60

80

100

Janv

ier

Fvri

erMa

rsAv

ril Mai

Juin

Juille

tAo

t

Septe

mbre

Octob

re

Nove

mbre

Dce

mbre

Mois

kJ/c

m/m

ois Bellegarde

Carquefou

Illustration 4 Rayonnement solaire pour Bellegarde (Nmes) et Carquefou (Nantes)

2.2.2. Les dperditions thermiques

Le phnomne deffet de serre permet une augmentation consquente de la temprature, mais comme dans tout systme des dperditions thermiques sont considrer.

Ce phnomne sexplique par plusieurs raisons :

- les parois et la toiture changent de la chaleur avec lextrieur par conduction, convection et rayonnement.

- les fuites potentielles provoquent un renouvellement dair,

- des pertes par vapeur deau sont galement considrer : toutes les surfaces humides se refroidissent en vaporant de leau.

Les dperditions thermiques considrer sont : des pertes conducto convectives ; des pertes par rayonnement ; des pertes par vapeur deau ; des pertes par renouvellement dair.

- Les trois modes de transfert thermiques sont :

- La conduction : change de chaleur entre deux points dun solide ou encore dun liquide (ou dun gaz) immobile et opaque.

- La convection : change de chaleur entre une paroi et un fluide (avec transport de la chaleur par le fluide en mouvement).



- Le rayonnement : change de chaleur entre deux parois spares par un milieu transparent. Tous les corps solides, liquides ou gazeux mettent un rayonnement de nature lectromagntique. Cette nergie est change directement des parois la surface des plantes et non lair ambiant.

La temprature apporte par le rayonnement et leffet de serre mais, diminue par les pertes thermiques, ne permet pas dassurer tout au long de lanne des tempratures optimales pour la croissance des plantes.

De plus, lhumidit lintrieur de la serre, dpendante des conditions climatiques et de la transpiration de la culture en fonction de lespce considre, doit tre bien matrise pour ne pas limiter la croissance de la plante et viter les risques phytosanitaires (dveloppement de maladies).

Le chauffage de la serre permet la gestion de ces deux paramtres.

Pertes par conduction

Pertes par rayonnement

Pertes par convection

Pertes par fuite

70 % - 80 %

Pertes par vapeur deau

Pertes par conduction

Pertes par rayonnement

Pertes par convection

Pertes par fuite

70 % - 80 %

Pertes par vapeur deau

Illustration 5 Les transferts thermiques dans la serre

2.2.3. Bilan thermique- Besoins en chauffage

a) Les quations

Les apports solaires sont tablis par lquation :

Gain = Rglobal. trans [W/m2] quation 1

Le coefficient trans permet de tenir compte de la proprit des matriaux, de la prsence dun cran thermique ou dombrage et du rayonnement qui est absorb par les plantes. Pour donner un ordre de grandeur si le rayonnement reu est denviron 700 W/m, le gain solaire qui sera pris en compte dans les calculs sera denviron 350 W/m.

Dperditions conducto-convectives :

Pcc = K. (Tin Text) [W.m-2] quation 2



Le coefficient K tient compte de la convection (sur les faces interne et externe), les changes par conduction sont ngligs. K est fonction de la vitesse du vent, de la temprature extrieure, du rayonnement et de la nbulosit. Quelques valeurs de K sont donnes dans lillustration 3. Si la valeur de K est faible, les pertes seront moins importantes.

La temprature de consigne est diffrente entre la nuit et le jour et volue au cours du cycle de la culture. Pour simplifier les calculs une temprature de nuit et une temprature de jour seront renseignes constantes au cours de la campagne.

Pertes par fuite ou renouvellement dair :

Le renouvellement dair est assez difficile exprimer. Il dpend essentiellement de la vitesse du vent. Plusieurs quations existent dans la littrature. Pour exprimer ces pertes nous utiliserons lquation propose par DE ZWART (2006).

Pf = Cv.V.(Tin-Tex) [W.m-2] quation 3

Dans la littrature, la capacit calorifique volumique de lair humide est de lordre de 0,26 J. m-3.K-1 : 0,22 J. m-3.K-1 propose par KITTAS (1987) et 0,3 J. m-3.K-1 propose par le CNIH (1989). Nous prendrons dans le calcul la valeur de 0,26 J. m-3.K-1.

Pendant la nuit, les pertes seront suprieures aux apports solaires, pour contribuer ces pertes il faudra mettre en place des systmes de chauffage.

La demande de chauffage est donc calcule partir de lquation :

Pchauffage = Pf+Pcc Gain +15 [W/m2] quation 4

La contribution de 15 W/m correspond au flux nergtique (chaleur sensible et latente) au niveau du sol-couvert vgtal (KITTAS, 1987 et DE ZWART, 2006).

b) Exemples de calculs

Deux bilans thermiques ont t raliss pour la France : un dans le Sud-Est (conditions climatiques de Bellegarde prs de Nmes) et un dans le Nord-Ouest (conditions climatiques de Carquefou prs de Nantes).

Les hypothses qui ont t prises dans le calcul sont les suivantes :

- Le type de serre est identique dans les deux cas : serre verre simple paroi (type de serre majoritaire dans le parc de serre franais).

- Les tempratures de consignes de nuit et de jour sont les mmes.

- Deux consommations ont t calcules avec et sans cran thermique.

- La gestion de lhygromtrie nest pas prise en compte.

- Les conditions climatiques correspondent lanne 2005. Les rsultats sont prsents dans les Illustrations 6 et 7.



Bellegarde (Nmes)

Type de serre Verre simple paroi transmission lumineuse 80 % Prsence cran thermique Non Oui type SLS Ultra Plus

43 % dconomie dnergie 88 % de transmission lumineuse Mise en place partir de Text = 8 C

Tconsigne nuit (C) 15 Tconsigne jour (C) 18 Puissance installer (W/m) 205 177 Consommation nergtique (kWh/m/an)

272 213

Illustration 6 Exemple de dimensionnement des besoins en chauffage dune serre Bellegarde (conditions climatiques de Nmes)

Carquefou (Nantes)

Type de serre Verre simple paroi transmission lumineuse 80 % Prsence cran thermique Non Oui type SLS Ultra Plus

43 % dconomie dnergie 88 % de transmission lumineuse Mise en place partir de Text = 8 C

Tconsigne nuit (C) 15 Tconsigne jour (C) 18 Puissance installer (W/m) 207 194 Consommation nergtique (kWh/m/an)

326 267

Illustration 7 Exemple de dimensionnement des besoins en chauffage dune serre Carquefou (conditions climatiques de Nantes)

La mise en place dun cran thermique permet de raliser une conomie dnergie de 20 %. Cette conomie a t valide par de nombreux essais au Ctifl et dans les stations rgionales.

LIllustration 8 prsente les consommations nergtiques par mois pour Bellegarde et Carquefou.



Consommation nergtique par mois

010203040506070

janvie

r

fvrie

r

mars av

ril ma

ijui

njui

llet

aot

septe

mbre

octob

re

nove

mbre

dce

mbre

Mois

kWh/

m

Bellegarde (Nmes) Carquefou (Nantes)

Illustration 8 Consommation nergtique par mois Bellegarde et Carquefou

2.2.4. Bilan thermique- Besoins en refroidissement

Lorsque la temprature est suprieure la consigne, la serre est are laide des ouvrants. Pendant la priode estivale, cette ventilation savre insuffisante. Les conditions climatiques difficiles en t dans le Sud de la France ne permettent pas datteindre les rendements des zones plus au nord (10-15 kg/m de moins) et nuisent la qualit des fruits. Les faibles rendements obtenus dans le bassin Rhne Mditerrane sexpliquent par les difficults rencontres dans la matrise du climat en t. Des tempratures voisines ou suprieures 30 C au niveau de la tte des plantes entranent des problmes de nouaison et de qualit de fruits (microfissures, collet ternes, ncroses apicales, dfauts de coloration).

Plusieurs systmes peuvent tre mis en place tels que la brumisation, la brumisation de type FOG System ou des cooling. Ces systmes dits vaporatifs sont bass sur le principe de charger lair chaud en eau. Le passage de leau de ltat liquide ltat de vapeur permet de consommer des calories et donc dabaisser la temprature de lair. Cependant la puissance des systmes de refroidissement reste limite, notamment lorsque lair extrieur est humide.

Pour tout calcul de dimensionnement de refroidissement, il conviendra de prendre en compte la mise en place dun cran dombrage ou de blanchiment sur les parois. Il en effet impossible dinstaller des quipements qui permettent de compenser en totalit le rayonnement global reu qui peut tre gal 1000 W/m.

Le calcul est ralis dans le cas dune serre semi ferme avec un lger renouvellement dair par ventilation naturelle. La transpiration des plantes nest pas prise en compte (le rayonnement absorb par les plantes est comptabilis).



a) Les quations

Le refroidissement par la ventilation naturelle sera limit afin de pouvoir optimiser lenrichissement en CO2. Cette puissance est calcule laide de lquation 5 propose par DE ZWART (2006) :

Pventilation = U.(Tair Text) [W.m-2] quation 5

Le coefficient U est fonction de la vitesse du vent, de la capacit calorifique volumique de lair et du renouvellement dair.

Tair, la temprature de lair de la serre, est calcule partir de la temprature laquelle on souhaite commencer refroidir et une temprature maximale dsire dans la serre. Tair dpend galement des conditions climatiques (rayonnement).

La puissance de refroidissement est donc calcule partir de lnergie solaire et de la ventilation naturelle.

Prefroidissement = Gain Pventilation [W.m-2] quation 6

b) Exemples de calculs

Deux bilans thermiques ont t raliss pour la France : un dans le Sud-Est (conditions climatiques de Bellegarde prs de Nmes) et un dans le Nord-Ouest (conditions climatiques de Carquefou prs de Nantes).

Les hypothses qui ont t prises dans le calcul sont les suivantes :

- Le type de serre est identique dans les deux cas : serre verre simple paroi (type de serre majoritaire dans le parc de serre franais).

- Les tempratures de consignes de nuit et de jour sont les mmes.

- Les calculs ont t raliss avec et sans ombrage.

- Les conditions climatiques correspondent lanne 2005.

Bellegarde (Nmes)

Type de serre Verre simple paroi transmission lumineuse 80 % Prsence cran ombrage Non Oui mis en place partir de 400 W/m

(trans = 0,48) Tconsigne nuit (C) 15 Tconsigne jour (C) 18 Humidit relative (%) 75 Tdbut refroidissement (C) 26 Tmaximale dans la serre (C) 30 Puissance installer (W/m) 627 500 Quantit de chaleur extraire (kWh/m/an) 873 736

Illustration 9 Exemple de dimensionnement des besoins en refroidissement dune serre Bellegarde (conditions climatiques de Nmes)



Carquefou (Nantes)

Type de serre Verre simple paroi transmission lumineuse 80 % Prsence cran ombrage Non Oui mis en place partir de 400 W/m

(trans = 0,48) Tconsigne nuit C 15 Tconsigne jour C 18 Tdbut refroidissement (C) 26 Humidit relative (%) 75 Tmaximale dans la serre (C) 30 Puissance installer (W/m) 565 452 Quantit de chaleur extraire (kWh/m/an)

677 592

Illustration 10 Exemple de dimensionnement de besoins en refroidissement dune serre Carquefou (conditions climatiques de Nantes)

Etant donn que le rayonnement solaire est plus important dans le Sud-Est que dans le Nord-Ouest, la puissance de refroidissement installer doit tre suprieure. Les calculs montrent que la puissance, en considrant lombrage, doit tre suprieure sur Bellegarde de 48 W/m soit de 11 % par rapport la puissance installe sur Carquefou.

2.2.5. Etude de cas rels

La consommation nergtique dans les serres est trs htrogne car elle dpend de plusieurs paramtres : les conditions climatiques, le pilotage de la culture (consigne de temprature souhaite, varit, date de semis) et de loutil serre.

Depuis le dbut des cultures sous serres chauffes, plusieurs tudes et exprimentations ont eu pour objectif doptimiser la consommation nergtique de serres. Quelques organismes possdent galement des logiciels de calculs de consommations nergtiques (lINH avec DEPERSERRE par exemple). La consommation nergtique des serres se situe en France, selon les rgions, entre 200 et 500 kWh/m.

Ltude URE dans les serres de lADEME (ADEME, 2007) a permis, partir dune enqute ralise auprs de 100 marachers (producteurs de tomates et de concombres sous serres chauffes), dvaluer la consommation nergtique dans diffrentes exploitations. Les rsultats sur la France entire et par bassins de production sont prsents ci aprs (Illustration 11). Cette consommation a t mesure au niveau de la chaufferie, elle prend donc en compte les pertes du systme. On constate que lcart type est important ce qui indique lhtrognit des cas. Ces consommations sont corrler avec le rendement et la performance conomique des exploitations.



Les rsultats obtenus par calcul pour le chauffage sont proches. Pour Carquefou la consommation dnergie calcule est de 326 kWh/m comparer avec 330 kWh/m issus de lenqute.

Pour Bellegarde, la consommation dnergie calcule est de 272 kWh/m comparer avec 240 kWh/m au niveau de BRM (Bassin Rhne Mditerrane).

Au niveau du refroidissement, il nest pas possible deffectuer une comparaison puisque les serres ne sont pas quipes de systmes de refroidissement.

Strates taille dexploitation

Consommation moyenne

(kWh PCI/m)

FRANCE BRM Bretagne Nord-Est Val de Loire Sud-

Ouest

Conso moyenne 320 240 400 354 330 277 Ensemble des exploitations

Ecart type 127 108 143 82 90 59

Illustration 11 - Moyenne des consommations nergtiques par bassin (Source : Etude URE ADEME, 2007)

En conclusion : partir des besoins calculs en chauffage et en refroidissement de la serre, nous allons pouvoir dimensionner les besoins en eau du systme



3. Bilan thermique au niveau du systme dchange

3.1. LE SYSTEME DECHANGE

Le concept de la serre capteur dnergie consiste stocker lexcs dnergie solaire au printemps et en t afin de lutiliser lhiver.

Plusieurs techniques existent pour stocker cette nergie, dont celle qui nous intresse dans cette tude, qui utilise la capacit de stockage thermique que peuvent prsenter les aquifres. Le principe est le suivant :

- en t, le dispositif sert refroidir les serres : de l'eau est pompe dans le premier puits (puits froid), se rchauffe en refroidissant la serre, pour tre rinjecte rchauffe dans le deuxime puits (puits chaud) ;

- en hiver, le dispositif sert chauffer les serres grce une inversion du circuit : de l'eau est pompe dans le puits chaud, se refroidit en rchauffant la serre, et est rinjecte dans le premier puits (puits froid).

La difficult rencontre dans ce projet consiste dimensionner le systme dchange thermique entre leau des puits et latmosphre sous serre, dans des conditions de fonctionnement qui soient compatibles avec les dbits deau que lon peut soutirer et injecter dans les nappes. En effet, il est plus facile de dimensionner et de changer des quipements thermiques en surface, que de devoir modifier les diamtres des forages, effectus en dbut dinstallation des quipements, et ncessitant des investissements importants.

Cest pourquoi nous choisissons dutiliser le dbit deau comme facteur limitant dans les calculs de dimensionnement, en fixant les tempratures dans chaque puits et non en les dterminant par bilan thermique dans la serre. Cette mthode permet de dterminer les dbits maxima et de dimensionner ensuite les forages.

3.1.1. Les quipements

Pour transfrer lnergie de la serre laquifre, des changeurs thermiques de type eau/air sont utiliss.

Le dimensionnement des installations de serres semi fermes sans pompe chaleur ne semble pas envisageable, contrairement ce qui tait prvu initialement dans la dfinition de ltude. En effet, la pompe chaleur va permettre dajuster les niveaux de tempratures de leau au niveau des puits chaud et froid qui nauraient pas atteint des tempratures suffisantes par simple change thermique avec latmosphre sous serre. Elle permet galement de palier les fluctuations de temprature dans laquifre, ce qui a pour consquence de mieux satisfaire les besoins nergtiques au niveau de la serre en apportant la puissance requise.



a) Les changeurs

Le principe de lchangeur de chaleur consiste transmettre la chaleur dun fluide un autre. Dans les changeurs les plus courants, les deux fluides sont spars par une paroi au travers de laquelle les changes seffectuent par conduction, la transmission de chaleur fluides-paroi se fait essentiellement par convection. Plusieurs technologies dchangeurs existent. Une classification peut tre tablie daprs le sens relatif des coulements des deux fluides. On distingue ainsi :

- les changeurs courants parallles : les deux fluides scoulent paralllement et dans le mme sens.

- les changeurs contre-courant : les deux fluides scoulent en sens contraires.

- les changeurs courants croiss, avec ou sans brassage : les deux fluides scoulent perpendiculairement.

Un changeur thermique se caractrise par sa puissance dchange. Loptimum est davoir une puissance dchange importante avec la plus faible surface dchange et le moins de pertes de charge possible.

b) La pompe chaleur

Une pompe chaleur est un dispositif permettant de transfrer de l'nergie (chaleur) d'un milieu basse temprature vers un milieu plus haute temprature. Ce transfert ncessite un apport d'nergie, gnralement lectrique (Illustration 12). L'intrt du systme rside dans le fait que l'nergie transfre pour les besoins de chauffage est suprieure l'nergie ncessaire pour faire fonctionner le dispositif. Les pompes chaleur disponibles sur le march les plus courantes sont les pompes Eau/Eau, Air/Air, Eau/Air et Air/Eau.

Cette opration ncessite de lnergie lectrique pour alimenter le compresseur (Illustration 13) et lutilisation dun fluide frigorigne dont le changement dtat (vapeur ou liquide) permet de transfrer les calories (chaleur) captes dans le milieu extrieur vers le logement. Les pompes chaleur peuvent, linverse, servir pour le refroidissement ou la climatisation, en inversant le circuit de fonctionnement.

Le coefficient de performance (COP) est dfini comme le rapport entre lnergie totale restitue par la pompe chaleur, et lnergie qui doit tre fournie pour la faire fonctionner. Cette valeur est dfinie dans des conditions de rfrence de la machine (temprature du milieu extrieur et temprature fournie au systme de chauffage par exemple). Le COP peut varier de 4 5, voire plus pour des machines plus rcentes (ADEME/Brgm, 2004).



ADEME BRGM Source : http://www.geothermie-perspectives.fr

Illustration 12 Principe de fonctionnement dune pompe chaleur

BRGM-im@g Source : http://www.geothermie-perspectives.fr

Illustration 13 Schma de fonctionnement PAC compression (cas de la production de chaleur)

3.1.2. Calcul des dbits deau ncessaires

Pour calculer les dbits deau ncessaires, nous allons partir des puissances ncessaires calcules prcdemment pour le refroidissement et le chauffage des serres. Au niveau du systme dchange, nous faisons lhypothse que nous avons deux rgimes de fonctionnement : le premier pendant la priode estivale et le deuxime pendant la priode hivernale (Illustration 14).



Tair ~ 30 C

Tair ~ 21 CTeau ~ 10 C

Teau ~ 25 C

Circuit deau

Echangeur Air/Eau

Tair ~ 30 C


Teau ~ 25 C

Circuit deau

Echangeur Air/Eau

Tair ~ 15 C


Teau ~ 25 C

Circuit deau

Echangeur Air/Eau

Tair ~ 15 C


Teau ~ 25 C

Circuit deau

Echangeur Air/Eau

Illustration 14 - Temprature au niveau du systme dchanges

A partir du bilan nergtique du circuit deau ct puits (Equation 7) et en faisant lhypothse que la diffrence de temprature entre le puits chaud et le puits froid est de 15 C, quelle que soit la saison comme indiqu dans lillustration prcdente, soit par exemple 25 C dans le puits chaud et 10 C dans le puits froid, on peut en dduire le dbit deau ncessaire en provenance de laquifre.

3600... CpT

Pm =& [m3/h] quation 7

Avec - P : puissance thermique change ct serre, calcule au chapitre 2 (W/m) ; - T = 15 C pour cette tude ; - Cp : capacit calorifique massique de leau ( 20 C, Cp = 4183 J/kg C) ; - : masse volumique de leau ( 20 C, = 998 kg/m3)

Cette relation montre que le dbit va dpendre de la diffrence de tempratures. Pour une mme puissance donne, le dbit sera moins important si lcart de temprature est lev (Illustration 15).

Evolution du dbit en fonction de la diffrence de temprature pour une puissance de 500 W

0

100

200

300

400

500

10 15 20

T

Db

it en

m3 /h

/ha

Illustration 15 Evolution du dbit en fonction de la diffrence de temprature



Cette illustration montre bien que si lon veut limiter les dbits, donc les travaux de forage et les investissements lis, il faut optimiser le systme en augmentant lcart de temprature entre les puits (par ajout dune pompe chaleur). Ce calcul simple permet de voir que le dbit ncessaire peut tre divis par deux, et dans ce type de forage ce facteur peut considrablement changer les perspectives et rsultats finaux du projet.

a) Rsultats

Nous supposons dans la suite de ce chapitre que les tempratures deau disponible dans les puits froid et chaud sont effectivement de 10 C et 25 C respectivement. Cette hypothse est justifie par le fait que nous disposons dune pompe chaleur qui permet dajuster la temprature de leau en sortie de lchangeur air/eau de la serre. Cette hypothse nous permet en outre de dterminer les dbits ncessaires au chauffage ou refroidissement de la serre, et de calculer lnergie stocke dans chacun des puits.

Etant donn que la puissance pour refroidir la serre est plus importante que celle pour chauffer, les calculs de dbit ont t effectus partir de cette puissance.

Les deux illustrations suivantes (Illustration 16 et Illustration 17) prsentent les dbits moyens et maximaux. Les dbits les plus importants sont atteints pendant la priode estivale. Le dbit maximal sur Bellegarde est de 288 m3/h/ha (mois de juillet) et sur Carquefou de 275 m3/h/ha (mois de juin). Le tableau ci dessous permet de prciser, pour les diffrentes tranches de dbits, le nombre dheures sur lanne o ces dbits sont sollicits. Un dbit suprieur 250 m3/h/ha est sollicit pendant 210 heures sur Bellegarde et pendant 14 heures sur Carquefou. La quantit deau ncessaire par m sur une anne est de 42 m3 sur Bellegarde et de 34 m3 sur Carquefou.

Ces quantits deau sont relativement importantes.

Dbit moyen sollicit au niveau de l'aquifre

0102030405060708090

100

janvie

r

fvrie

r ma

rsav

ril mai

juin

juille

tao

t

septe

mbre

octob

re

nove

mbre

dce

mbre

Mois

m3 /h

/ha


Illustration 16 Evolution du dbit moyen par mois



Dbit maximal sollicit au niveau de l'aquifre

0

50

100

150

200

250

300

350

janvie

r

fvrie

r ma

rs avril ma

ijui

njui

llet

aot

septe

mbre

octob

re

nove

mbre

dce

mbre

Mois

m3 /

h/ha


Illustration 17 Evolution du dbit maximal par mois

Bellegarde Carquefou Dbit en m3/h/ha Nombre dheures par an Nombre dheures par an

>0 4545 4599 >50 2469 2101 >100 1896 1565 >150 1195 785 >200 667 279 >250 205 14 >280 5 0

Illustration 18 Comparaison des nombres dheures de fonctionnement en fonction des classes de dbit pour Bellegarde et Carquefou

b) Balance nergtique au niveau de laquifre

A partir des besoins en chaud et en froid, on peut en dduire les dbits engendrs et les quantits deau chaude et deau froide produites et stockes dans laquifre. En effet, pendant la priode hivernale de leau froide sera produite et stocke dans le puits froid (hypothse de temprature de 10 C). Pendant la priode estivale, le systme est rversible et permettra de produire de leau chaude (hypothse de temprature de 25 C) qui sera stocke au niveau du puits chaud. Lillustration suivante (Illustration 19) prsente les quantits deau produites pendant lanne sur Bellegarde.

Ce graphique montre que, dans les conditions climatiques de Bellegarde, la quantit deau 25 C produite est trs importante. Ceci est li aux besoins en froid qui sont plus importants. Les besoins en chauffage tant beaucoup moins importants, pour raliser un quilibre thermique au niveau de laquifre, il est ncessaire de dissiper une partie de cette nergie stocke. Dans les hypothses de ce calcul, le rapport de la quantit deau chaude produite sur la quantit deau froide est de 3, ce qui permet den dduire que 1 ha de serre peut contribuer chauffer 3 ha.



Quantit d'eau produite par mois sur une anne Bellegarde (Nmes)

0,E+001,E+042,E+043,E+044,E+045,E+046,E+047,E+04

janvie

rfv

rier

mars av

ril ma

ijui

njui

llet

aot

septe

mbre

octob

re

nove

mbre

dce

mbre

Mois

m3 /h

a

eau T = 10 C eau T = 25 C

Illustration 19 Quantit deau produite par mois Bellegarde (Nmes)

Lillustration suivante (Illustration 20) prsente les quantits deau produites pendant lanne sur Carquefou.

Ce graphique montre que, dans les conditions climatiques de Carquefou, le dsquilibre entre la production deau chaude et deau froide est moins grand que dans le cas de Bellegarde. En effet, les besoins en froid sont moins importants que dans le Sud-Est et les besoins en chaud sont plus levs. Dans les hypothses de ce calcul, le rapport de la quantit deau chaude produite sur la quantit deau froide est de 2, ce qui permet den dduire que 1 ha de serre peut contribuer chauffer 2 ha.

Quantit d'eau produite par mois sur une anne Carquefou (Nantes)

0,E+00

1,E+04

2,E+04

3,E+04

4,E+04

5,E+04

6,E+04

janvie

r

fvrie

r ma

rsav

ril mai

juin

juille

tao

t

septe

mbre

octob

re

nove

mbre

dce

mbre

Mois

m3 /h

a

eau T = 10 C eau T = 25 C

Illustration 20 Quantit deau produite par mois Carquefou (Nantes)



3.1.3. Dimensionnement thermique avec les changeurs FiWiHEX

Cette partie montre un premier exemple de dimensionnement des quipements ncessaires pour une serre semi ferme. Les calculs ont t raliss sur une serre de 1 ha dans les conditions climatiques de Bellegarde (Nmes) et de Carquefou (Nantes) par la socit ESETA. La consigne de temprature minimale dans la serre est de 16 C (de nuit pendant la priode hivernale) et la temprature maximale de 30 C (pendant la priode estivale).

Les quipements pris en compte sont les suivants :

- une pompe chaleur : elle permet de produire leau froide ncessaire pour lt et de remonter les tempratures de leau du puits chaud ;

- un changeur intermdiaire eau/eau est utilis entre leau de laquifre et le circuit deau en serre ;

- des rservoirs : ils permettent de disposer dun stockage journalier et dviter de pomper en permanence dans laquifre. Ce rservoir permet galement de limiter le dbit de pompage au niveau de laquifre.

Pour tout projet, il sera ncessaire de mener une tude approfondie avec un bureau dtudes ou linstallateur afin daffiner ces calculs.

a) Rsultats pour le cas Sud-Est

Source : ESETA, 2006 Poste Valeur Unit

Echangeurs Puissance de refroidissement 650 W/m Nombre dchangeurs FiWiHEx 240 soit 1/42 m Dbit maximal dans le circuit 280 m3/h

Pompe chaleur Temprature de leau froide produite 9 C Temprature de leau chaude produite 50 C Puissance 800 kW

Rservoirs Capacit des rservoirs -froid : 1000

-chaud : 1000 m3 m3

Caractristiques de laquifre Dbit maximal au niveau de laquifre 140 m3/h Temprature de leau chaude injecte dans laquifre

27 C

Temprature de leau froide injecte dans laquifre

10 C



b) Rsultats pour le cas Nord-Ouest

Source : ESETA, 2006 Poste Valeur Unit

Echangeurs Puissance de refroidissement 500 W/m Nombre dchangeurs FiWiHEx 167 soit 1/60 m Dbit maximal dans le circuit 239 m3/h

Pompe chaleur Temprature de leau froide produite 9 C Temprature de leau chaude produite 50 C Puissance 800 kW

Rservoirs Capacit des rservoirs -froid : 700

-chaud : 700 m3 m3

Caractristiques aquifres Dbit maximal au niveau de laquifre 120 m3/h Temprature de leau chaude injecte dans laquifre

27 C

Temprature de leau froide injecte dans laquifre

10 C

On constate que le dbit deau et le nombre dchangeurs dans le cas du Nord-Ouest sont plus faibles car la puissance requise est moins importante.

Les rservoirs permettent de diminuer les dbits deau au niveau de laquifre.

En conclusion : cette partie a permis dvaluer les puissances ncessaires pour matriser le climat dans la serre pendant la priode hivernale et estivale. Le bilan au niveau du systme dchange montre que les dbits deau engendrs sont importants et que lutilisation dune pompe chaleur savre indispensable pour optimiser le fonctionnement du systme et limiter les quantits deau ncessaires. La partie suivante va permettre danalyser les paramtres prendre en compte pour effectuer un stockage thermique en aquifre.



4. Stockage thermique en aquifre : un rapide tat de lart

Cette partie propose une synthse bibliographique rapide sur cette gothermie particulire quest le stockage thermique en aquifre.

4.1. GEOTHERMIES ET STOCKAGE THERMIQUE

4.1.1. Des gothermies

Commenons cet tat de lart en replaant lutilisation du stockage thermique en aquifre peu profond, tel quil est envisag dans cette tude de prfaisabilit, par rapport la gothermie. Du grec go (terre) et thermos (chaud), la gothermie au sens large est base sur le principe de lutilisation de la chaleur naturelle contenue dans le sous-sol ou dans leau des aquifres en profondeur, rchauffe au contact des roches. Cette chaleur naturelle est principalement produite par la dsintgration dlments radioactifs contenus dans le noyau de la Terre. Le flux gothermique qui en rsulte engendre un accroissement de la temprature des roches avec la profondeur. A lchelle de la plante, le gradient gothermal est de l'ordre de +3,3C par 100 m. Mais il est en ralit trs variable : il peut atteindre des valeurs trs nettement suprieures dans les zones actives du globe, lies la tectonique des plaques (+10C/100m, voire +30C/100m dans les zones volcaniques la frontire des plaques lithosphriques), et il peut varier au sein mme de zones continentales stables (bassins sdimentaires, roches plutoniques profondes). Ainsi en France, le gradient gothermal moyen est denviron +4C/100 m, mais il varie de +10C/100m dans le Nord de lAlsace +2C/100m seulement au pied des Pyrnes (ADEME/Brgm, 2004).

Il serait dailleurs plus juste de parler de gothermies au pluriel, puisque diffrents types de gothermies existent, en fonction des tempratures utilises, et donc des profondeurs dexploitation (Illustration 21) :

- Gothermie trs basse nergie : elle concerne les aquifres peu profonds dune temprature infrieure 30C, temprature trs basse qui ncessite gnralement ladjonction dune pompe chaleur (PAC) pour une utilisation en chauffage ou climatisation ;

- Gothermie basse nergie : appele galement basse temprature, ou basse enthalpie, elle consiste en lextraction dune eau moins de 90C dans des gisements situs entre 1500 et 2500 mtres de profondeur ; lessentiel des rservoirs exploits se trouve dans les bassins sdimentaires, avec des roches poreuses (grs, sables) imprgnes deau ; le niveau de chaleur permet le chauffage des habitations et de certaines applications industrielles ;

- Gothermie moyenne nergie : elle se prsente sous forme deau chaude ou de vapeur humide une temprature comprise entre 90 et 150C. Elle se retrouve (i)

Application du stockage thermique en aquifre a

Stockage Thermiqueaquifere URE Serres Rapport

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