Brevet FR3018600A1 — publié le 20150918

La présente invention concerne le domaine technique du stockage thermique en sous-sol, et en particulier le stockage en sous-sol proche et hors d'eau. L'invention concerne notamment un dispositif de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau comprenant un échangeur thermique placé dans un puits colmaté. Actuellement, le géostockage thermique se fait principalement dans des nappes aquifères. Les calories, recueillies en surface, sont utilisées pour chauffer l'eau présente dans la nappe. Ces calories peuvent être ensuite récupérées en temps utiles et utilisées notamment pour le chauffage des habitations. Toutefois, il existe des zones où les nappes aquifères ne sont pas accessibles et/ou 10 pas utilisables pour le stockage de la chaleur. Ainsi, alternativement ou complémentairement, on peut stocker des calories directement dans des masses rocheuses. Cette technique, appelée géostockage thermique diffusif, met en oeuvre des transferts thermiques avec le massif rocheux encaissant assurés par des échangeurs thermiques verticaux mis en place dans des 15 forages colmatés. Le couplage thermique entre l'échangeur thermique et le massif rocheux encaissant est assuré par le matériau de colmatage. Habituellement, le colmatage de ces forages, et donc le couplage thermique, est effectué par un matériau argileux mis en place sous forme de coulis hydraté (contenant 20 de l'eau) remplissant le forage. Par ailleurs, les échangeurs thermiques classiques (sondes géothermiques verticales) sont toujours mis en oeuvre en milieu partiellement ou totalement saturé. C'est pourquoi des matériaux argileux imperméables de type bentonite sont utilisés jusqu'à présent. Dans ce cadre, les caractéristiques du couplage thermique sont essentielles pour 25 garantir la puissance d'échange thermique entre l'échangeur thermique et le massif rocheux. Cependant, pour des conditions de géostockage thermique où les températures de fonctionnement franchissent les températures de changement de phase de l'eau (0°C et 100°C), les changements de phase de l'eau engendrent des discontinuités (des 30 fissures de retrait par exemple) dans le matériau de colmatage. Ces discontinuités diminuent fortement la qualité du couplage thermique. La présente invention a pour objet un dispositif amélioré de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, basé sur l'utilisation d'un matériau de colmatage non hydraté sous forme pulvérulente, pour assurer le couplage du massif rocheux et de 35 l'échangeur thermique. Le dispositif selon l'invention comprend au moins un échangeur thermique placé dans au moins un puits, le puits étant colmaté par une composition comprenant du carbure de silicium sous une forme pulvérulente. Le dispositif selon l'invention est plus facile et moins onéreux à mettre en place que les dispositifs de l'art antérieur. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention présente un rendement thermique supérieur aux rendements observés précédemment. Finalement, l'utilisation d'une forme pulvérulente sèche est le seul moyen permettant un couplage thermique garanti si les températures de changement de phase de l'eau (0°C et 100°C) doivent être franchies par le procédé de géostockage thermique. Selon un mode de réalisation, la composition comprend plus de 99% de carbure de silicium. Le carbure de silicium peut préférentiellement avoir une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. Selon l'invention, le puits peut comporter entre 25 et 500 kg/m3 de carbure de silicium, il peut avoir une profondeur comprise entre 5m et 50m, et il peut avoir un volume compris entre 0.3m3 et 150m3. Enfin, selon un mode réalisation, le puits est colmaté uniquement par la composition. L'invention concerne également un procédé de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, dans lequel on réalise les étapes suivantes : (a) un puits est creusé à l'aide d'une machine de forage dans le sous-sol proche hors d'eau ; (b) un échangeur thermique est disposé dans le puits ; (c) le carbure de silicium (SiC) pulvérulent est mis en place par versement et compactage dans le but de colmater ce puits et d'assurer une continuité thermique entre l'échangeur thermique et le sous-sol encaissant le puits ; (d) l'échangeur thermique est rempli d'un fluide caloporteur mis en circulation. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la figure 1, fournie à titre d'exemple non limitatif, qui présente une vue schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. 30 On se réfère maintenant à la figure 1. Le dispositif (1) de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, selon l'invention, comprend : au moins un puits (2) ; au moins un échangeur thermique (3) placé dans ledit puits ; une composition (4)pour colmater ledit puits (2), ladite composition 35 comprenant du carbure de silicium (SiC) sous forme pulvérulente. Dans le cadre de la présente invention, le terme « sous-sol proche » fait référence à la fraction du sous-sol comprise entre 0 et 50 m. Dans le cadre de la présente invention, le terme « hors d'eau » fait référence au fait que le puits n'est pas en contact avec une nappe aquifère. Le puits (2) Le stockage thermique consiste à stocker de la chaleur dans une partie (5) du sous-sol. A cette fin, on fore un puits (2), suivant les techniques classiques de forage vertical d'ouvrages superficiels, dans une partie (5) du sous-sol de façon à mettre en relation cette partie avec une source de chaleur. La partie (5) du sous-sol proche hors d'eau encaissant le puits, appelée aussi géostock, est une masse rocheuse en place, au sein du massif rocheux hors d'eau dans lequel on met en place le stockage thermique. Il peut s'agir par exemple d'une masse de granite. Selon un mode de réalisation, le puits (2) a une profondeur comprise entre 5m et 15 50m. Selon un mode de réalisation, le puits (2) a un volume compris entre 0.3m3 et 150m3. L'échangeur thermique (3) La technique de stockage thermique diffusif permettant de constituer un stockage 20 thermique est décrite par exemple dans le document suivant : T. Schmidt, O. Miedaner, septembre 2011, « Solar district heating Fact sheet 7.2-1 », p. 1-12 Le transfert thermique diffusif avec le massif rocheux encaissant est réalisé par des échangeurs thermiques implantés verticalement, avec une densité approximative d'un 25 échangeur par m2. Les échangeurs sont positionnés dans des forages (2). Un échangeur thermique est un dispositif enterré faisant circuler sans échange de matière avec le sous-sol un fluide caloporteur, avec comme objectif un transfert thermique diffusif entre le fluide caloporteur et le sous-sol encaissant le dispositif enterré. 30 L'échangeur thermique peut être un échangeur simple en U, un échangeur thermique en double U, un échangeur thermique coaxial, un échangeur thermique en spirale, ou un échangeur thermique en cuve. Lorsque le dispositif selon l'invention comporte plusieurs échangeurs, une combinaison de ces types d'échangeur est possible. 35 Par exemple, les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un géostock thermique, dans laquelle circule un fluide caloporteur qui échange sa chaleur avec le massif encaissant par conduction thermique à travers la paroi de l'échangeur. Ainsi, les échangeurs thermiques peuvent être des cuves cylindriques de 40 cm de diamètre et de 15m de hauteur dans le cas d'un géostock de 15m de hauteur. L'échangeur en cuve permet d'améliorer la cinétique du transfert thermique entre le 5 fluide caloporteur et le massif. De préférence, l'échangeur (3) du dispositif selon l'invention comporte un moyen permettant de faire circuler le fluide caloporteur. Ce moyen peut être une conduite de type connu des spécialistes, et formant un circuit. Le fluide caloporteur peut être de l'eau, de l'huile ou du CO2dans un état liquide, gazeux, supercritique, ou une 10 combinaison de ces états physiques. La composition de colmatage (4) Une composition de colmatage entre l'échangeur et l'encaissant rocheux est introduite dans le puits, et fait partie du dispositif selon l'invention. Elle permet de sceller 15 l'échangeur thermique (3) dans l'encaissant rocheux et de garantir un couplage thermique adéquat entre l'échangeur thermique (3) et le massif rocheux (5). Selon l'invention, la composition comprend du carbure de silicium (SiC) sous forme pulvérulente. On appelle forme pulvérulente, une composition ne contenant pas d'eau, et 20 comportant des éléments dont la taille n'excède pas 5mm. En situation hors d'eau, comme dans le cadre du géostockage thermique diffusif, le carbure de silicium, notamment grâce à ses propriétés thermophysiques, constitue un matériau adéquat pour le remplissage du forage d'un échangeur géothermique car : la conductivité thermique du carbure de silicium monocristallin est élevée, 25 supérieure à 140 W.rn-1.K-1, et assure donc un bon couplage thermique entre l'échangeur géothermique et le massif encaissant. Pour comparaison, la conductivité thermique de l'oxyde d'aluminium monocristallin est de l'ordre de 30 wm_i.K_1. l'effet électrostatique du carbure de silicium (SiC) est faible par rapport à d'autres 30 matériaux ayant une conductivité thermique adaptée au couplage thermique, tel que l'oxyde d'aluminium. Cette propriété est importante pour la formation de composition pulvérulente. En effet, l'effet électrostatique est un phénomène qui tend à agglomérer des particules ultrafines (quelques microns) entre-elles, entravant donc la réalisation d'un mélange pulvérulent avec une répartition granulométrique 35 optimale, c'est-à-dire permettant d'obtenir une compacité maximale du produit pulvérulent (et donc une conductivité thermique plus élevée). Ainsi, contrairement à l'oxyde d'aluminium par exemple, les produits ultrafins d'une composition pulvérulente de carbure de Silicium, ne s'agglomèrent pas entre eux pour des raisons électrostatiques. le coefficient de forme du carbure de silicium, suivant les procédés de fabrication standard, autorise, à fuseau granulométrique identique, une meilleure compacité, et donc un meilleur couplage thermique, que d'autres matériaux ayant une conductivité thermique adaptée au couplage thermique, tel que l'oxyde d'aluminium. le caractère inerte du point de vue physique et chimique du carbure de silicium dans les conditions thermiques du géostockage permet de conserver dans le temps la qualité du couplage thermique. le carbure de silicium possède un impact sanitaire très faible, il est notamment insoluble dans l'eau. le carbure de silicium est un produit industriel aisément disponible. Son conditionnement sous forme pulvérulente autorise une mise en place directe par versement et compactage par vibration du produit dans l'espace compris entre l'échangeur thermique (3) et la paroi du puits (2). L'utilisation d'une forme pulvérulente permet d'obtenir un couplage thermique s'affranchissant des problèmes de changement de phase de l'eau. Selon un mode de réalisation, la composition (4) comprend plus de 99% de carbure de silicium. Selon un mode de réalisation, le carbure de silicium à une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. Selon un mode de réalisation, le puits (2) comprend entre 25 et 500 kg/m3 de carbure de silicium. Selon un mode de réalisation, le puits (2) est colmaté uniquement par la composition (4). Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, on colmate le puits qu'avec une composition ne contenant que du carbure de silicium ayant une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. L'utilisation d'une composition totalement déshydratée, et ne comportant qu'un seul élément est possible, du fait des propriétés thermophysiques du carbure de silicium. L'invention concerne également un procédé de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, dans lequel on réalise les étapes suivantes : (a) un puits est creusé à l'aide d'une machine de forage dans le sous-sol proche hors d'eau ; (b) un échangeur thermique est disposé dans le puits ; (c) le carbure de silicium (SiC) pulvérulent est mis en place par versement et compactage par vibration du produit dans l'espace compris entre l'échangeur thermique et la paroi du puits dans le but de colmater ce puits et d'assurer une continuité thermique entre l'échangeur thermique et le sous-sol encaissant le puits ; (d) l'échangeur thermique est rempli du fluide caloporteur ; (e) le fluide caloporteur est mis en circulation, rendant le dispositif opérationnel pour le stockage thermique. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau comprenant au moins un échangeur thermique (3) placé dans au moins un puits (2), caractérisé en ce que ledit puits (2) est colmaté par une composition(4) comprenant du carbure de silicium sous une forme pulvérulente. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1 dans lequel ladite composition (4) comprend plus de 99% de carbure de silicium. 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le carbure de silicium a une distribution granulométrique comprise entre 2iim et 5mm. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit puits (2) comprend entre 25 et 500 kg/made carbure de silicium. 5. Dispositif (1)selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit puits (2) a une profondeur comprise entre 5m et 50m. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit puits (2) a un volume compris entre 0.3m3 et 150m3. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit puits (2) est colmaté uniquement par ladite composition (4). 25 8. Procédé de stockage thermique en sous-sol proche hors d'eau, caractérisé ence que l'on réalise les étapes suivantes : (a) un puits est creusé à l'aide d'une machine de forage dans le sous-sol proche hors d'eau ; 30 (b) un échangeur thermique est disposé dans le puits ; (c) le carbure de silicium (SiC) pulvérulent est mis en place par versement et compactage dans le but de colmater ce puits et d'assurer une continuité thermique entre l'échangeur thermique et le sous-sol encaissant le puits ; (d) l'échangeur thermique est rempli d'un fluide caloporteur mis en circulation. 35