Brevet FR2950957A1 — publié le 20110408

MÉTHODE ET SYSTÈME DE STOCKAGE 5 D'ÉNERGIE THERMIQUE PAR DOUBLET NON RÉVERSIBLE La présente invention concerne le domaine de la gestion optimisée des énergies thermiques aux fins de satisfaire des besoins décalés dans le 10 temps. Il s'agit de pallier le décalage entre les sources de production ou d'émission d'énergie thermique et les besoins de cette même énergie. L'invention propose le stockage souterrain inter saisonnier, qui consiste à stocker l'énergie thermique (chaud ou froid) dans un aquifère en période d'excédent de production par rapport aux besoins, et à récupérer 15 cette même énergie la saison suivante, lorsque la production est en déficit par rapport à la demande. Le vecteur de stockage et support de l'énergie stockée puis récupérée consiste en un fluide, a priori l'eau de l'aquifère, circulant de manière permanente en boucle fermée dans le système décrit ci-après. 20 La technique du stockage d'énergie thermique en aquifère souterrain est déjà connue et a fait l'objet de nombreuses études et expérimentations depuis les années 60. On peut citer les références suivantes , à titre d'exemple: 25 - Cormary, Y., Iris, P., Marie, J.P., de Marsily, G., Michel, H. and Zaquine, M.F. (1978). "Heat Storage in a Phreatic Aquifer: Campuget Experiment" (Gard, France), Proceedings of Thermal Energy Storage in Aquifers workshop, pp. 88-93. - Housse, B. A. and Despois, J. (1985). "Prototype of An Underground Heat Storage System at Thiverval-Grignon (France)"; Proceedings of Enerstock 85ù3rd International Conference on Energy Storage for Building Heating and Cooling, Sept. 22-26, pp. 71-74. - Schmidt, T., Mangold, D. and Müller-Steinhagen, H. (2003). "Seasonal Thermal Energy Storage in German". ISES Solar World Congress 2003, Gêteborg, Sweden, 14-19 June. - Kabus, F., Hoffmann, F. and Mêllmann, G. (2005). "Aquifer Storage of Waste Heat Arising from a Gas and Steam Cogeneration PlantùConcept and First Operating Experience", Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April. - Sanner, B., Kabus, F., Seibt, P. and Bartels, J. (2005). "Underground Thermal Energy Storage for the German Parliament in Berlin, System Concept and Operational Experiences", Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April. Le procédé qui sous-tend ces réalisations consiste à exploiter deux domaines ou "bulles" indépendantes sur le plan thermique au sein de l'aquifère, grâce à deux puits fonctionnant en mode réversible, c'est-à-dire alternativement producteurs et injecteurs, d'une saison à l'autre, tel qu'illustré sur la figure 1. Ce principe a fait l'objet de diverses publications, par exemple: WO2008/000932, GB884434, EP1462736A1, US4559818, US4577679. Les figures la et lb (Ungerer et Le Bel, Revue des Ingénieurs des Mines, Vol. 423, Nov.-Déc. 2006) illustrent l'art antérieur en régime permanent, c'est-à-dire à partir du moment où les "bulles" chaude et froide sont constituées. La référence 1 indique un aquifère mis en communication avec la surface par deux forages 2 et 3. Pour des raisons de limitations des infrastructures, ces forages sont issus de la même plateforme, comme un doublet géothermique. Cette architecture est préférée, mais nullement limitative. Un système d'échangeurs thermiques 4 est généralement disposé en tête des puits. La figure la schématise le fonctionnement en été, où la source chaude 5 fournit de l'énergie thermique en excès à l'eau froide produite par le puits 3, laquelle eau réchauffée est stockée dans la "bulle" chaude par le puits 2. La figure lb schématise le fonctionnement en hiver, où l'eau de la "bulle" chaude est produite et son énergie thermique délivrée à un réseau 6 via un système d'échangeurs thermiques, la "bulle" froide étant alors rechargée par le fluide refroidi. Le doublet constitué de puits à sens de circulation réversible comporte certaines contraintes relatives à l'équipement ("completion") des deux puits, à savoir que chaque puits requiert une double circulation du fluide : production par tubing central et injection par l'annulaire ou via un second tubing. Le diamètre de puits doit être suffisant pour permettre l'injection de fluide, notamment en présence d'une pompe de soutirage immergée à demeure dans la colonne de puits. A l'inverse, la présente invention propose d'exploiter un doublet de puits non réversible, c'est-à-dire dont le mode de fonctionnement de chacun des deux puits est fixé : injecteur ou producteur, sans condition de réversibilité. Ainsi, l'invention concerne une méthode de stockage souterrain d'énergie 20 thermique par un fluide caloporteur, mise en oeuvre suivant les étapes suivantes : - on dispose un puits d'injection dudit fluide interceptant une première zone d'un réservoir géologique, - on dispose un puits de production dudit fluide interceptant une 25 deuxième zone dudit réservoir, - on établit une circulation dudit fluide entre lesdites première et deuxième zone dudit réservoir, - on contrôle les conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement synchrone avec 30 une demande déterminée d'énergie thermique. On peut produire le fluide chaud pendant une saison froide et on peut injecter un fluide refroidi. On peut produire le fluide froid pendant une saison chaude et on peut injecter un fluide réchauffé. On peut déterminer la distance entre lesdites première et seconde zones d'interception dudit réservoir par les deux puits, afin de contrôler le temps de percée du fluide injecté. On peut ajuster le débit de circulation du fluide pour contrôler le temps de percée du fluide injecté. L'invention concerne également un système de stockage souterrain d'énergie thermique par un fluide caloporteur comportant : - un puits d'injection dudit fluide dans une première zone d'un réservoir géologique, - un puits de production dudit fluide dans une deuxième zone dudit 15 réservoir, - une zone de circulation dudit fluide entre lesdites première et deuxième zones, - des moyens de contrôle des conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement 20 synchrone avec une demande déterminée d'énergie thermique. Le puits d'injection peut être équipé d'une pompe d'injection, et ledit puits de production peut être équipé de moyens de production du fluide vers la surface. Le fluide du réservoir peut reçevoir ou transmettre de l'énergie thermique 25 par au moins un échangeur en relation avec une source chaude et/ou froide. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - les figures la et lb illustrent le schéma d'exploitation d'un stockage d'énergie thermique au moyen d'un doublet réversible, selon l'art 5 antérieur, les figures 2a et 2b illustrent l'utilisation du procédé de l'invention à des fins de stockage de chaleur. Les deux périodes, été et hiver, sont représentées respectivement sur les figure 2a et 2b. Selon la figure 2a, on stocke de la chaleur et selon la figure 2b, on récupère par déstockage 10 cette chaleur au moyen du dispositif de l'invention, les figures 3a et 313 donnent les résultats d'une simulation. L'objet de l'invention consiste, d'une part à stocker l'énergie thermique (chaud ou froid) au sein d'une bulle de stockage unique de 15 l'aquifère considéré au moyen de deux puits à fonctionnement irréversible, toujours injecteur pour l'un, toujours producteur pour l'autre. D'autre part, le procédé permet de piloter en dynamique l'exploitation de cette bulle. L'invention porte également sur la configuration du doublet, à savoir l'espacement et la position des points d'injection au niveau du réservoir. Les 20 figures 2a et 2b illustrent le procédé mis en oeuvre pour le stockage et le déstockage de chaleur. Sur les figures 2a et 2b, un réservoir 10 est mis en communication avec la surface du sol par deux puits 11 et 12, respectivement de production et d'injection. Une source de chaleur 13 est en relation avec un échangeur 14 25 pour transférer l'énergie thermique au fluide circulant dans le stockage. Un réseau 15, par exemple de distribution de l'énergie, est aussi en relation avec un échangeur 16 qui transfère l'énergie thermique du fluide circulant dans le stockage au circuit de distribution du réseau. La figure 2a schématise le fonctionnement en été pendant lequel le 30 fluide circulant chauffé par la source de chaleur est stocké par le puits d'injection 12 dans le réservoir. Dans le même temps, le puits 11 produit un fluide froid. La figure 2b schématise le fonctionnement hivernal pendant lequel le fluide chaud ayant atteint le puits de production 11 est soutiré pour être distribué à la surface dans le réseau, alors que le fluide froid est injecté par le puits 12. La chaleur stockée peut avoir diverses origines (chaleur solaire produite en excès l'été, chaleur perdue d'installations industrielles diverses, etc.), et de même s'il s'agit de froid (eau d'un cours d'eau, d'un lac, etc.) Les utilisations de la chaleur (ou du froid) stocké peuvent être diverses. Elles sont toujours décalées (ou déphasées) dans le temps par rapport à leur production ou émission, ce qui constitue la raison d'être du stockage selon l'invention. Ils concernent souvent le bâtiment (résidentiel ou tertiaire) mais d'autres secteurs (serres agricoles, climatisation industrielle, etc.) peuvent l'utiliser également. Les avantages découlent en premier lieu de l'exploitation d'une bulle unique par un doublet de puits forés. Ils concernent les équipements et l'emprise de l'installation à la surface : - il y a une seule pompe par puits au lieu de deux, - le fonctionnement des pompes principalement en régime permanent est a priori plus favorable sur le plan des risques de défaillance ou d'endommagement dus aux aléas de redémarrage après les périodes d'arrêt, - la nécessité de mettre en oeuvre une pompe immergée (en cas d'aquifère peu pressurisé) ne pose pas de problème contrairement au puits réversible pour lequel un diamètre de puits minimum doit alors être prévu pour permettre une injection par l'annulaire du tube raccordé à cette pompe immergée, - en ce qui concerne l'emprise du stockage, d'une part, le dispositif est spatialement plus compact puisque fondé sur l'exploitation d'une seule bulle. Les têtes de puits peuvent être rapprochées ce qui minimise l'emprise au sol pour le forage et l'exploitation, - d'autre part, l'aire de permis requise pour une exploitation de taille donnée (en termes d'énergie stockée/déstockée) est moindre que dans le cas de l'exploitation de deux bulles par doublet réversible, sachant que les deux bulles doivent être suffisamment éloignées pour éviter les interférences thermiques. Le second volet de l'invention concerne le contrôle du pilotage de la bulle, tout à la fois indispensable pour prévenir les risques de percée précoce ou tardive par rapport à des besoins saisonniers ou programmés dans le temps, et bénéfique pour le contrôle et l'optimisation des quantité et qualité de l'énergie délivrée en déstockage. Ce pilotage concerne notamment la gestion des débits pilotés en fonction de mesures permanentes de température déstockée en surface, en tenant compte des besoins d'énergie d'une période (saison par exemple) à la suivante. A titre d'exemple, une formulation simplifiée de ce pilotage est indiquée ci-après : ^ Période 1 de stockage au débit Ql et à une température Ts,, dans la bulle supposée à la température Tdest. et dont on exploite l'énergie thermique (à Tdes,,) en surface : la mesure de température du fluide déstocké indique une arrivée ("percée") du fluide injecté (à la température T, ) après une durée At, alors que la durée (objectif) de déstockage souhaitée vaut Atob; ^ A la période de stockage suivante 2, le débit Q2 peut être ajusté afin que la percée intervienne au terme de la durée (objectif) de déstockage souhaitée, soit : Q2 = Qlx(Otl/Otobi) Bien entendu, il ne s'agit que d'un exemple illustrant un pilotage de l'exploitation grâce à la surveillance permanente des températures de production. Les réajustements effectués aux périodes suivantes dépendent des critères prioritaires et des degrés de liberté sur les paramètres d'exploitation. Par exemple, une percée trop tardive peut être corrigée par un débit accru en maintenant les mêmes températures de stockage au cours des périodes (saisons). Les puissances thermiques stockée et délivrée sont alors plus élevées, ce qui peut être le choix de l'exploitant s'il dispose de capacités excédentaires d'énergie thermique à stocker et d'un marché également excédentaire. Dans le cas contraire, les écarts de température seront réduits afin de conserver l'énergie totale, dans la limite bien entendu des contraintes de qualité thermique imposées par les utilisateurs, par exemple, une température minimale pour un réseau de chaleur. Afin d'obtenir les meilleures conditions d'exploitation, le procédé 10 recommande une reconnaissance préalable soignée de l'aquifère de stockage sur le plan de sa capacité volumique (porosité notamment), de sa perméabilité et d'éventuelles hétérogénéités, afin de minimiser l'amplitude des actions correctives accompagnant le pilotage décrit plus haut et ainsi, de toujours satisfaire les contraintes d'exploitation, en termes de qualité 15 thermique, de disponibilité d'énergie dans le temps, etc. Un troisième volet de l'invention concerne la disposition des puits et leur "complétion", ou équipement, au niveau du réservoir. Les procédures constitutives de ce troisième volet n'interviennent pas systématiquement (à l'opposé des volets précédents) mais uniquement en fonction des qualités 20 reconnues ou présumées de l'aquifère. Elles concernent les deux situations suivantes : - hydrodynamisme de l'aquifère : l'invention permet de tenir compte de l'hydrodynamisme naturel permanent (connu ou reconnu préalablement) par l'orientation du doublet. Les deux puits sont forés dans la direction du 25 flux naturel, c'est-à-dire suivant une ligne orthogonale aux équipotentielles de l'aquifère. Le puits producteur se situant en aval du puits injecteur (l'aval se définissant du point de vue de la distribution naturelle des potentiels d'écoulement supposée connue globalement d'après l'hydrogéologie locale). Il est bien sûr supposé que l'hydrodynamisme 30 naturel est modéré, limité à une fraction de la vitesse de déplacement souhaitée de puits à puits. - aquifère relativement épais (par comparaison à la distance entre injecteur et producteur) et homogène : afin d'éviter les écoulements convectifs (donc un mélange thermique) liés aux différences de température entre fluide injecté et fluide en place, il est possible de prévoir une complétion de puits permettant l'injection et la production des fluides chaud et froid respectivement par le sommet (fluide chaud) et la base (fluide froid) de la formation aquifère perméable. Exemple simulé d'application Le stockage de chaleur a été simulé au moyen d'un modèle numérique 10 de réservoir incorporant le mode d'exploitation par doublet à sens de circulation fixé, objet de la présente invention. Le réservoir de stockage considéré est une formation poreuse aquifère de porosité 30% située à une centaine de mètres de profondeur. Chacun des deux puits de diamètre 8,5 pouces (21,59 cm) injecte ou produit en 15 permanence à un débit de 30 m3/h. Durant les 6 mois les plus chauds de l'année, le fluide du réservoir (initialement à 18°C) est produit, réchauffé à 75°C en surface au contact d'une source de chaleur et réinjecté via le puits injecteur. Au cours des 6 mois suivants les plus froids, la chaleur sensible du fluide produit est récupérée via un échangeur qui ramène la température de 20 ce fluide à 38°C avant qu'il ne soit réinjecté comme pendant la période estivale. 40 cycles annuels ont été simulés en commençant par une période de 6 mois de stockage à 75°C. Un débit d'exploitation (30 m3/h dans le cas présent) compatible avec les qualités du réservoir étant fixé a priori, l'espacement des deux puits, 25 égal ici à 78 m, peut être estimé par calcul ou ajusté par simulation de telle sorte que la température au producteur soit maximale au cours de chacun des semestres (hivernaux) d'utilisation de la chaleur, et minimale au cours des semestres (estivaux) de stockage de chaleur. La figure 3a montre la superposition du profil de température (Temp) 30 à l'injecteur (courbe Inj) montrant des créneaux de 75°C-38°C imposés de 6 mois d'une part, et du profil au producteur (courbe Prod) d'autre part, au cours de 10 cycles annuels d'injection et de production continue. On constate qu'après les deux premières années, la température produite l'hiver dépasse toujours 45°C, avec un maximum proche de 50°C qui croît au fur et à mesure des cycles. La figure 3b montre le rendement de stockage (Eff en ordonnée) calculé pour chaque cycle annuel, comme étant le rapport entre la quantité de chaleur extraite du fluide produit l'hiver et la quantité de chaleur stockée l'été précédent. Ce rendement dépasse 30% à l'issue des deux premiers cycles annuels et croît de manière continue pour atteindre respectivement 40% et 60% après 5 ans et 32 ans. Ces rendements de stockage peuvent paraître faibles toutefois, il convient de noter que l'on se place dans des conditions défavorables en ce qui concerne : - la température de retour, qui est élevée (proche de 40°C), compte tenu du souhait d'exploiter directement la chaleur sensible du fluide, sans mise en oeuvre de pompe à chaleur, - le dispositif d'exploitation qui met en oeuvre un doublet unique. Un dispositif associant plusieurs doublets identiques suivant un schéma adapté confinant les lignes de courant améliorerait sensiblement le niveau thermique du fluide produit l'hiver. Les conditions considérées, qui sont les moins contraignantes en terme d'investissements, révèlent cependant déjà qu'une fraction tout à fait significative de chaleurs estivales perdues peut être valorisée l'hiver par la mise en oeuvre de la présente invention. REVENDICATIONS1) Méthode de stockage souterrain d'énergie thermique par un fluide caloporteur mise en oeuvre suivant les étapes suivantes : - on dispose un puits d'injection (12) dudit fluide interceptant une première zone d'un réservoir géologique (10), - on dispose un puits de production (11) dudit fluide interceptant une deuxième zone dudit réservoir, - on établit une circulation dudit fluide entre lesdites première et 10 deuxième zone dudit réservoir, - on contrôle les conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement synchrone avec une demande déterminée d'énergie thermique. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on produit le fluide chaud 15 pendant une saison froide et on injecte un fluide refroidi. 3) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on produit le fluide froid pendant une saison chaude et on injecte un fluide réchauffé. 4) Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle on détermine la distance entre lesdites première et seconde zones d'interception dudit 20 réservoir par les deux puits, afin de contrôler le temps de percée du fluide injecté. 5) Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle on ajuste le débit de circulation du fluide pour contrôler le temps de percée du fluide injecté. 25 6) Système de stockage souterrain d'énergie thermique par un fluide caloporteur comportant : - un puits d'injection dudit fluide dans une première zone d'un réservoir géologique, - un puits de production dudit fluide dans une deuxième zone dudit réservoir, - une zone de circulation dudit fluide entre lesdites première et deuxième zones, - des moyens de contrôle des conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement synchrone avec une demande déterminée d'énergie thermique. 7) Système selon la revendication 6, dans lequel ledit puits d'injection est équipé d'une pompe d'injection, et ledit puits de production est équipé de 10 moyens de production du fluide vers la surface. 8) Système selon l'une des revendications 6 à 7, dans lequel le fluide du réservoir reçoit ou transmet de l'énergie thermique par au moins un échangeur en relation avec une source chaude et/ou froide.