Brevet FR2914404A1 — publié le 20081003

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne les systèmes de stockage de chaleur en sous-sol pour une restitution ultérieure en surface de la chaleur stockée. L'invention concerne également une méthode de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface. L'invention s'applique notamment au chauffage de bâtiments. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu d'utiliser des systèmes de pompe à chaleur géothermique pour le chauffage de bâtiment en période froide. Typiquement, une pompe à chaleur géothermique utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau de chauffage (un plancher chauffant, des radiateurs, etc....) d'un bâtiment. Ce type de pompe à chaleur comporte des circuits fluidiques séparés pour le captage et le chauffage. La pompe à chaleur assure la mise en mouvement du fluide dans les divers circuits fluidiques et le transfert de chaleur d'un circuit vers l'autre circuit. Le circuit de captage capte la chaleur contenue dans le sol par l'intermédiaire de boucles horizontales, ou de boucles verticales. Un tel système est totalement dépendant de la température du sol et donc de la quantité de chaleur disponible dans le sol. Par ailleurs, il est également connu du brevet EP 1 462 736 de produire de la chaleur pour la stocker dans une formation poreuse contenant de l'eau encore connu sous le nom d'aquifère, et de la restituer pendant l'hiver par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur réversible. Un tel système nécessite des moyens spécifiques pour produire de la chaleur à stocker. Enfin, il est un fait que de nombreuses industries, par exemple les usines de production d'électricité ou de fabrication de certains produits, rejètent dans leur environnement direct (atmosphère, rivière, etc....) des quantités plus ou moins importantes de chaleur résultant de leurs fonctionnements. Ces quantités de chaleur sont rejetées lors du fonctionnement de ces industries, c'est-à-dire généralement tout au long de l'année. Bien qu'il soit connu d'utiliser cette chaleur rejetée en période de chauffe (hivers et mi-saison) notamment dans des systèmes de chauffage urbain, l'eau rejetée est rarement exploitable directement car typiquement inférieure à 20 C. La chaleur rejetée hors période de chauffe (été et mi-saison) est perdue. En outre, l'eau de refroidissement (eau des rivières et fleuves) étant plus chaude en été, l'eau rejetée est beaucoup plus chaude l'été que l'hiver, entrainant bien souvent un réchauffement des rivières et fleuves au-delà des limites autorisées. EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un système et une méthode de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface permettant de résoudre au moins un des problèmes de l'état de la technique antérieur. En particulier, un but de l'invention est d'améliorer l'efficacité énergétique des systèmes complexes incluant des producteurs de chaleur tels que des industries, et des consommateurs de chaleur tels que des bâtiments à usage d'habitation, de commerce, de stockage, industriel ou de bureau, ou des serres de production agricole. Selon l'invention, il est proposé un système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface comprenant un premier échangeur de stockage et un second échangeur de restitution se trouvant en surface, une couche aquifère se trouvant en sous-sol, au moins un circuit fluidique couplant les échangeurs à la couche aquifère, au moins une pompe pour mettre en mouvement un fluide dans le circuit fluidique, la chaleur étant stockée dans la couche aquifère pendant une première période de temps, la chaleur étant restituée à une entité consommatrice de chaleur pendant une seconde période de temps. Le premier échangeur de stockage est positionné entre une source de chaleur excédentaire et l'environnement recevant la chaleur excédentaire. La chaleur stockée provenant de la récupération d'au moins une partie de la chaleur perdue par la source de chaleur excédentaire. Selon d'autres aspects optionnels, la source de chaleur excédentaire perdue peut être une usine, ou une centrale de production d'électricité, ou une centrale de chauffage urbain, ou un co-générateur. La source de chaleur rejette une chaleur excédentaire dans l'atmosphère, ou un fleuve, ou la mer. Le premier échangeur de stockage peut être du type échangeur eau/eau. Le moyen de réduction de la température d'eau peut être positionné entre la source de chaleur et l'échangeur eau/eau. Le moyen de réduction de la température d'eau peut être un bassin de mixage. L'échangeur de restitution peut être positionné dans l'entité consommatrice de chaleur, l'entité consommatrice étant un bâtiment. Le second échangeur de restitution peut être du type échangeur eau/air. Le premier échangeur de stockage et le second échangeur de restitution peuvent être couplés à la couche aquifère par deux circuits fluidiques distincts. Le premier échangeur de stockage et le second échangeur de restitution peuvent être couplés à la couche aquifère par un circuit fluidique unique et une vanne pour coupler la couche aquifère au premier échangeur de stockage ou au second échangeur de restitution. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé une méthode de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface comprenant les étapes suivantes : - une étape de récupération de chaleur se trouvant en surface, - une étape de stockage comprenant le transfert de la chaleur de la surface vers une couche aquifère se trouvant en sous-sol, la chaleur étant stockée 20 pendant une première période de temps, et -une étape de restitution de la chaleur stockée comprenant le transfert d'une partie de chaleur stockée dans la couche aquifère vers la surface, la chaleur stockée étant restituée pendant une seconde période de temps. La chaleur récupérée en surface correspond à au moins une partie d'une 25 chaleur perdue par une source de chaleur excédentaire. Le système et la méthode selon l'invention permet donc une récupération des énergies inutilisées et abandonnées dans la nature. Ainsi, grâce à l'invention, lorsqu'un aquifère est présent en sous-sol à proximité de source de chaleur 30 excédentaire et de bâtiment à chauffer, il est possible de valoriser la chaleur qui aurait autrement été perdue et d'utiliser la chaleur stockée au moment opportun. Egalement, les eaux de refroidissement rejetées par les industriels pendant les périodes chaudes (été) sont moins chaudes, évitant ainsi l'interruption ou la dégradation de leurs productions. De ce fait, des effets écologiques et économiques positifs peuvent être obtenus. D'autres avantages seront présentés dans la description détaillée de l'invention qui va suivre. DESCRIPTION DES FIGURES La présente invention est illustrée par des exemples non limitatifs sur les Figures jointes, dans lesquels des références identiques indiquent des éléments similaires : La Figure 1 représente de manière schématique le fonctionnement du système 10 selon l'invention hors d'une période de chauffe ; La Figure 2 représente de manière schématique le fonctionnement du système selon l'invention lors d'une période de chauffe ; et La Figure 3 représente de manière schématique une variante de réalisation du système selon l'invention hors d'une période de chauffe. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les Figures 1 et 2 représentent de manière schématique le fonctionnement du système selon l'invention. 20 La Figure 1 illustre une étape de stockage de la chaleur en sous-sol. Une telle étape intervient pendant une première période de temps t1, c'est-à-dire hors d'une période de chauffe, typiquement en été et en mi-saison (automne ou printemps). Une source de chaleur 11 peut être constituée par toute industrie qui produit 25 lors de son fonctionnement de la chaleur, encore appelée énergie calorifique, en excédent CP. Généralement la chaleur produite en excédent CP, c'est-à-dire non utilisée et rejetée par l'industrie lors de son fonctionnement, est perdue. La chaleur excédentaire est rejetée dans l'environnement E, c'est-à-dire dans l'atmosphère, les fleuves, les rivières, les égouts, etc.... A titre d'exemple, une 30 industrie peut être une usine 11A (usine d'incinération d'ordures, usine métallurgique, usine textile, usine verrière, etc....), une centrale de production d'électricité 11B, une centrale de chauffage urbain 11C, ou un co-générateur 11D (le co-générateur est visible sur la Figure 3). Typiquement, une industrie peut produire de la chaleur excédentaire perdue CP tout au long de l'année en pompant P de l'eau d'une rivière ou d'un fleuve E à une température d'entrée Ti (de l'ordre de 20 C) pour refroidir ses installations et en rejetant R l'eau dans la rivière ou d'un fleuve E à une température de sortie Ts (de l'ordre de 29 C) supérieure de quelques degrés centigrades à la température d'entrée Ti. Ce rejet va entraîner un réchauffement de la température de la rivière en aval de l'industrie. De manière équivalente, une tour de refroidissement rejette de l'air chaud dans l'atmosphère. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface 1 selon l'invention comprend un premier échangeur de stockage 2, un second échangeur de restitution 3, un premier circuit fluidique 7, un second circuit fluidique 8, une couche aquifère 5 et des pompes 9, 10. La couche aquifère 5 se trouve en sous-sol 6. Le premier échangeur de stockage 2 et le second échangeur de restitution 3 se trouvent en surface 4. Le premier circuit fluidique 7 et le second circuit fluidique 8 couplent respectivement l'échangeur de stockage 2 et l'échangeur de restitution 3 à la couche aquifère 5. Une première pompe 9 est destinée à mettre en mouvement le fluide dans le premier circuit fluidique 7. Une seconde pompe 10 est destinée à mettre en mouvement le fluide dans le second circuit fluidique 8. Le premier échangeur de stockage 2 est positionné entre la source de chaleur 11 excédentaire et l'environnement, par exemple une rivière E, recevant la chaleur excédentaire évacuée. Avantageusement, le premier échangeur de stockage 2 peut être positionné dans la source de chaleur 11. Dans le cas où la source de chaleur 11 rejette la chaleur excédentaire dans une rivière, le premier échangeur de stockage 2 est avantageusement du type échangeur eau/eau et est positionné, par exemple, au niveau du tuyau de rejet d'eau de refroidissement de l'industrie concerné dans la rivière. Dans le cas où la source de chaleur 11 rejette la chaleur excédentaire dans l'atmosphère, le premier échangeur de stockage 2 est avantageusement du type échangeur air/eau et est positionné, par exemple, au niveau de la tour de refroidissement de l'industrie concerné dans l'atmosphère. Lors de la première période de temps t1, une étape de récupération de la chaleur se trouvant en surface, et une étape de stockage sont mises en oeuvre. L'étape de stockage comprend le transfert de la chaleur de la surface 4 vers la couche aquifère 5. La première pompe 9 est actionnée et le fluide froid est pompé de la couche aquifère 5. La chaleur excédentaire perdue apportée par la source de chaleur 11 est transférée au fluide froid pompé de la couche aquifère 5 par l'intermédiaire de l'échangeur de stockage 2. Puis le fluide tiède (de l'ordre de 28 C) est réinjecté dans la couche aquifère 5. Bien évidemment, des pertes peuvent intervenir entre la source de chaleur et la couche aquifère de sorte que la chaleur stockée CS provient de la récupération d'au moins une partie de la chaleur perdue CP par la source de chaleur 11. De cette manière, la température de la couche aquifère 5 est augmentée et la chaleur est stockée CS dans la couche aquifère 5 au cours de la première période de temps t1. La législation peut interdire le stockage d'eau chaude dans le sous-sol, il est donc nécessaire de contrôler que la température de l'eau injectée dans la couche aquifère 5 ne dépasse pas la limite autorisée. Avantageusement, un moyen de réduction de la température d'eau 13 peut être positionné entre la source de chaleur 11 et l'échangeur de stockage 2 lorsque cela est nécessaire (par exemple lorsque la source de chaleur est une centrale de production d'électricité 11B, une centrale de chauffage urbain 11C, ou un co-générateur 11 D). Dans cette première période de temps t1, le second circuit fluidique 8 et l'échangeur de restitution 3 sont normalement inactifs. La Figure 2 illustre une étape de restitution de la chaleur du sous-sol. Une telle étape intervient pendant une seconde période de temps t2, c'est-à-dire lors d'une période de chauffe, typiquement en hivers et en mi-saison (automne ou printemps). La chaleur est restituée CR à une entité consommatrice de chaleur 12 pendant la seconde période de temps t2. L'entité consommatrice peut être un bâtiment, par exemple une serre 12A, une maison 12B, et/ou un immeuble d'habitation, de bureau, de stockage, industriel ou de commerce 12C. Avantageusement, l'échangeur de restitution 3 est positionné dans l'entité consommatrice de chaleur 12. Dans le cas où l'entité consommatrice de chaleur 12 utilise un système de chauffage par eau chaude, le second échangeur de restitution 3 est avantageusement du type échangeur eau/eau. A titre d'exemple, un échangeur eau/eau connu est une classique pompe à chaleur. Dans le cas où l'entité consommatrice de chaleur 12 utilise un système de chauffage par air pulsé, le second échangeur de restitution 3 est avantageusement du type échangeur eau/air. A titre d'exemple, un échangeur eau/air connu est commercialisé par la société Fiwihex et décrit dans le brevet EP 0 714 500. Lors de la seconde période de temps t2, une étape de récupération de la chaleur se trouvant dans la couche aquifère, et une étape de restitution sont mises en oeuvre. L'étape de récupération comprend le transfert de la chaleur de la couche aquifère 5 vers la surface 4. La seconde pompe 10 est actionnée et le fluide tiède (de l'ordre de 26 C) est pompé de la couche aquifère 5 vers l'échangeur de restitution 3. La chaleur stockée CS est transférée de la couche aquifère 5 à l'entité consommatrice de chaleur 12 par l'intermédiaire de l'échangeur de restitution 3. Puis, le fluide refroidi (de l'ordre de 13 C) est réinjecté dans la couche aquifère 5. De cette manière, la température de la couche aquifère 5 est diminuée et la chaleur stockée est restituée CR vers l'entité consommatrice de chaleur 12 au cours de la seconde période de temps t2. Dans cette seconde période de temps t2, le premier circuit fluidique 7 et l'échangeur de stockage 2 sont normalement inactifs. Ainsi, d'importantes économies d'énergies peuvent être réalisées avec une absence de rejet supplémentaire de dioxyde de carbone dans l'atmosphère en réutilisant à un moment opportun la chaleur stockée qui aurait été perdue. En outre, la consommation d'énergie du système est limitée à la consommation d'électricité pour le fonctionnement des pompes et éventuellement des ventilateurs liés aux échangeurs air/eau. Enfin, le système de l'invention ne consomme pas d'eau souterraine et n'entraîne pas de pollution de l'eau souterraine de l'aquifère. Avantageusement, pendant la seconde période de temps t2, autant d'eau va être pompée que celle stockée pendant la première période de temps t1 afin de remettre la couche aquifère à une température sensiblement équivalente à la température d'origine. De plus, la chaleur réellement rejetée dans l'environnement, par exemple dans une rivière ou un fleuve, est réduite ce qui permet de maintenir la production de l'industrie concernée quelque soit la température extérieure principalement en été et de ne pas détériorer la flore et la faune de l'environnement. A titre d'alternative (non représentée), la première pompe 8 et la seconde pompe 9 pourraient respectivement être intégrées à l'échangeur de stockage 2 et de restitution 3. Egalement, des pompes de levage (non représentées) pourraient être prévues en sous-sol 6 au niveau de l'aquifère, une première pompe de levage en relation avec le premier circuit fluidique 7 et une seconde en relation avec le second circuit fluidique 8. Dans l'exemple des Figures 1 et 2, le premier échangeur de stockage 2 et le second échangeur de restitution 3 sont couplés à la couche aquifère 5 par deux circuits fluidiques distincts 7 et 8. Néanmoins, à titre d'alternative (non représentée), le premier échangeur de stockage 2 et le second échangeur de restitution 3 pourraient être couplés à la couche aquifère 5 par un circuit fluidique unique. Dans ce cas, au moins une vanne serait prévue pour coupler la couche aquifère 5 au premier échangeur de stockage 2 ou au second échangeur de restitution 3 en fonction de la période de temps (stockage ou restitution). La Figure 3 représente de manière schématique une variante de réalisation du système selon l'invention hors d'une période de chauffe. Dans cette variante, la source de chaleur 11 est un co-générateur 11 D couplé à un digesteur 14 fournissant du biogaz. Le digesteur 14 a pour fonction de détruire notamment des déchets (par exemple issues des éleveurs de bétails, de l'industrie agroalimentaire, des boues d'épuration, etc....) tout au long de l'année. Typiquement, lors de la cogénération de biogaz, la chaleur est utilisée pendant la seconde période de temps t2 (période de chauffe - hivers) à travers un réseau de chauffage. Lors de la première période de temps t1 (hors période de chauffe - été), la chaleur est rejetée dans l'environnement. Dans l'exemple de la Figure 3, la cogénération génère un fluide à une température de l'ordre de 80 C à 95 C qui est transféré à un bassin de mixage 16 par l'intermédiaire d'un circuit fluidique primaire 15. Le bassin de mixage 16 constitue le moyen de réduction de la température du fluide. Il est positionné entre la source de chaleur 11 et l'échangeur de stockage de type eau/eau 2. Il permet de réduire la température de l'eau à une température permettant le stockage en aquifère, c'est-à-dire compatible avec la législation, par exemple inférieur à 30 C. Le bassin de mixage 16 est couplé à l'échangeur eau/eau 2 par l'intermédiaire d'un circuit fluidique intermédiaire 17. Finalement, une eau à une température de l'ordre de 28 C est injectée dans la couche aquifère 5. La chaleur stockée CS dans la couche aquifère 5 pourra être réutilisée lors de la période de chauffe suivante au travers d'un échangeur eau/eau ou d'un échangeur eau/air comme décrit précédemment. La variante de réalisation du système selon l'invention permet d'utiliser pratiquement complètement la chaleur produite par le co-générateur dans le but de la valoriser. En particulier, en période de chauffe, l'addition de la chaleur produite par le co-générateur et celle stockée dans l'aquifère permet de multiplier la capacité de chauffage pratiquement par un facteur deux. Dans certains pays, cela est particulièrement avantageux car la législation prévoit une prime à l'efficacité énergétique en fonction du taux de valorisation de la chaleur produite par le co-générateur. Le système et la méthode selon l'invention permettent de postuler à la totalité de la prime. Par conséquent, l'exploitant d'un co-générateur intégré au système de l'invention peut également obtenir un rendement optimisé en termes de vente d'électricité et de chaleur. Enfin, le système présenté ci-dessus permet de transformer le processus coûteux d'élimination des déchets en un processus générateur de revenus étendu à la fourniture d'électricité et de chaleur distribuable toute l'année. Les Figures et leurs descriptions faites ci-dessus illustrent l'invention plutôt qu'elles ne la limitent. En particulier, l'invention vient d'être décrite en relation avec des exemples particuliers de source de chaleur et d'entité consommatrice de chaleur. Néanmoins, il est évident pour un homme du métier que l'invention peut être étendue à d'autres types de source de chaleur et d'entité consommatrice de chaleur. L'exemple particulier de rejet d'eau chaude dans une rivière ou un fleuve présenté sur la Figure 1 et dans la description n'est pas limitatif. L'invention s'applique au rejet d'eau ou d'air chaud par l'industrie dans l'environnement (atmosphère, rivière, fleuve, mer, océan, égout, etc....). Bien que les Figures semblent montrer que les circuits fluidiques injectent et prélèvent de l'eau dans la couche aquifère à des profondeurs identiques, l'injection et le prélèvement pourront se faire à des profondeurs bien différentes. Les signes de références dans les revendications n'ont aucun caractère limitatif. Les verbes comprendre et comporter n'excluent pas la présence d'autres éléments que ceux listés dans les revendications. Le mot un précédant un élément n'exclue pas la présence d'une pluralité de tels éléments. REVENDICATIONS 1. Un système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface (1) comprenant un premier échangeur de stockage (2) et un second échangeur de restitution (3) se trouvant en surface (4), une couche aquifère (5) se trouvant en sous-sol (6), au moins un circuit fluidique (7, 8) couplant les échangeurs (2, 3) à la couche aquifère (5), au moins une pompe (9, 10) pour mettre en mouvement un fluide dans le circuit fluidique (7, 8), la chaleur étant stockée (CS) dans la couche aquifère (5) pendant une première période de temps (t1), la chaleur étant restituée (CR) à une entité consommatrice de chaleur (12) pendant une seconde période de temps (t2), le système (1) est caractérisé en ce que le premier échangeur de stockage (2) est positionné entre une source de chaleur (11) excédentaire et l'environnement (E) recevant la chaleur excédentaire, la chaleur stockée (CS) provenant de la récupération d'au moins une partie de la chaleur perdue (CP) par la source de chaleur (11). 2. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon la revendication 1, dans lequel la source de chaleur (11) excédentaire perdue est une usine (11A), ou une centrale de production d'électricité (11 B), ou une centrale de chauffage urbain (11C), ou un cogénérateur (11 D). 3. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier échangeur de stockage (2) est du type échangeur eau/eau. 4. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon la revendication précédente, dans lequel un moyen de réduction de la température d'eau (13) est positionné entre la source de chaleur (11) et l'échangeur eau/eau (2). 11 5. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon la revendication précédente, dans lequel le moyen de réduction de la température d'eau (13) est un bassin de mixage (16). 6. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'échangeur de restitution (3) est positionné dans l'entité consommatrice de chaleur (12), l'entité consommatrice étant un bâtiment (12A, 12B, 12C). 7. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le second échangeur de restitution (3) est du type échangeur eau/air. 8. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier échangeur de stockage (2) et le second échangeur de restitution (3) sont couplés à la couche aquifère (5) par deux circuits fluidiques distincts (7, 8). 9. Le système de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier échangeur de stockage (2) et le second échangeur de restitution (3) sont couplés à la couche aquifère (5) par un circuit fluidique unique et une vanne pour coupler la couche aquifère au premier échangeur de stockage ou au second échangeur de restitution. 10. Une méthode de stockage de chaleur en sous-sol et restitution de chaleur en surface comprenant les étapes suivantes : - une étape de récupération de chaleur se trouvant en surface, - une étape de stockage comprenant le transfert de la chaleur de la surface vers une couche aquifère se trouvant en sous-sol, la chaleur étant stockée pendant une première période de temps, et- une étape de restitution de la chaleur stockée comprenant le transfert d'une partie de chaleur stockée dans la couche aquifère vers la surface, la chaleur stockée étant restituée pendant une seconde période de temps, la méthode est caractérisée en ce que la chaleur récupérée en surface 5 correspond à au moins une partie d'une chaleur perdue par une source de chaleur excédentaire.