Brevet FR3069310A1 — publié le 20190125

Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte au domaine général du stockage souterrain d'énergie thermique en utilisant de l'eau. Le stockage d'énergie thermique peut concerner le stockage 10 souterrain d'eau chaude (par exemple à une température de l'ordre de 28 degrés Celsius, voire comprise entre 15 à 40 degrés Celsius) ou d'eau froide (par exemple à une température de l'ordre de 13 degrés Celsius voire comprise entre 0 et 20 degrés Celsius). A titre indicatif, on peut stocker de l'eau chaude pour l'utiliser ultérieurement pour des applications 15 de chauffage urbain, et l'on peut stocker de l'eau froide pour l'utiliser ultérieurement pour des applications de refroidissement (par exemple climatisation). Pour stocker de l'énergie thermique en utilisant de l'eau, il a été proposé d'utiliser des réservoirs souterrains ou encore des anciens 20 ouvrages miniers. En effet, les anciennes mines sont généralement ennoyées à la fin de leur exploitation. Une mine comporte des puits d'accès verticaux et souterrains, qui ont un gros diamètre (par exemple de l'ordre d'une dizaine de mètres), et des galeries horizontales et souterraines. 25 Pour stocker de l'énergie thermique, il a tout d'abord été proposé d'utiliser les galeries d'une ancienne mine pour y stocker de l'eau, comme par exemple dans le document « Minewater 2.0 project in Heerlen the Netherlands : transformation of a geothermal mine water pilot project into a full scale hybrid sustainable Energy infrastructure for heating and 30 cooling » (Verhoeven et al., Energy Procedia 46, 2014, 58-67). Il a également été proposé de stocker de l'énergie thermique directement dans les puits d'une ancienne mine. Le stockage d'énergie thermique présente un certain nombre de difficultés. Un puits de mine qui a été ennoyé peut ne pas présenter de 35 bonnes caractéristiques thermiques pour permettre le stockage d'eau 1 2 chaude et/ou d'eau froide et en particulier pour permettre le confinement de l'énergie thermique dans le puits. Une première difficulté du stockage d'énergie thermique dans un puits concerne les échanges entre le puits et les galeries qui traversent le puits ou débouchent sur ce puits. Comme connu en soit par l'homme du métier, la température des terrains augmente avec la profondeur selon un gradient géothermique propre à chaque région de la terre. Certaines galeries ennoyées contiennent de l'eau dont la température se rapproche de celle des terrains. Typiquement, une température d'eau de l'ordre de 25 degrés Celsius peut être atteinte dans les galeries au fond de puits de mines. Lorsque de l'eau froide (par exemple à une température de l'ordre de 13 degrés Celsius) est injectée dans le puits, la différence de densité entre l'eau dans le puits et l'eau dans les galeries va provoquer par gravité le déplacement de l'eau froide vers les galeries plus chaudes. On peut également noter que le volume des galeries est très supérieur à celui des puits. Dès lors, il est possible que toute l'eau stockée s'échappe par les galeries. Il a été montré que de tels mouvements de l'eau par convexion peuvent avoir une vitesse de l'ordre de 0,3 mètre par minute à 1,7 mètre par minute dans le document « Modélisation thermo-hydrodynamique d'un réservoir minier profond ennoyé - Le cas du Bassin Houiller Lorrain » (Thèse de Guillaume Reichart, Juin 2015). Les temps caractéristiques de tels mouvements sont compris entre quelques jours et quelques semaines. Or, comme on peut le concevoir, ces durées sont très inférieures à celle d'une saison de stockage qui est de l'ordre de 6 mois. Ces mouvements rendent donc difficile le stockage d'eau à des températures basses dans les puits des mines. Une deuxième difficulté concerne le stockage simultané d'eau chaude et d'eau froide, c'est-à-dire le stockage d'eau chaude dans une portion d'un puits et d'eau froide dans une deuxième portion du même puits. L'exploitation peut alors consister en un soutirage d'eau à une première température simultanément à une injection d'eau à une deuxième température. Or, dans un puits utilisé de cette manière, la température de l'eau peut s'homogénéiser rapidement et la température de l'eau injectée risque d'impacter celle de l'eau produite. Pour pallier cet 3 inconvénient, il est envisageable d'augmenter les débits d'injection et de soutirage. Cela n'est toutefois pas satisfaisant. Le rapport du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (organisme public français) ayant pour référence RP-65723-FR et pour 5 titre « Utilisation géothermique du puits Yvon Morandat - Gardanne » décrit des solutions pour permettre le stockage d'énergie thermique dans un puits d'une ancienne mine. Il décrit notamment qu'il est possible de stocker de l'eau chaude au fond d'une mine en dessous d'une portion de puits contenant de l'eau froide, en utilisant des bouchons mobiles ou fixes, 10 étanches ou semi-étanches. Ce document décrit seulement qu'il est possible d'utiliser des bouchons mécaniques ou gonflables, mais il ne décrit pas comment réaliser ces bouchons. Il existe donc un besoin pour des solutions simples à mettre en oeuvre pour faciliter le stockage d'énergie thermique dans les puits de 15 mines. L'invention vise à pallier certains des inconvénients listés ci-dessus, et notamment à faciliter le stockage d'énergie thermique dans les puits de mines, en limitant les mouvements par convexion de l'eau entre 20 le puits et les galeries. Objet et résumé de l'invention 25 La présente invention répond à ce besoin en proposant un procédé de conversion d'un puits d'une mine pour le stockage d'énergie thermique en utilisant de l'eau stockée dans le puits, la mine comprenant au moins une galerie traversant ou débouchant sur le puits, le procédé 30 comportant une formation dans le puits d'un remblai au-moins partiellement au-dessus (ou encore complétement au-dessus) d'une portion du puits traversée par ou dans laquelle débouche la galerie, le remblai ayant une hauteur choisie et comprenant des grains ayant une taille choisie, de sorte à produire dans le puits une perte de charge apte à 35 compenser au moins partiellement (voire totalement) les mouvements de 4 l'eau par convexion entre la galerie et le puits à une vitesse supérieure à une vitesse minimale prédéfinie. Les inventeurs de la présente invention ont observé qu'un remblai de gravier dans un puits de mine s'étendant au-dessus d'une galerie 5 pouvait constituer une barrière qui empêche la convexion du puits vers cette galerie, et en particulier la convexion d'une eau plus froide vers une galerie plus chaude, dès lors que le remblai a une taille suffisamment élevée et des grains suffisamment petits pour compenser la force motrice à l'origine de la vitesse du mouvement de l'eau par convexion. 10 La formation d'un remblai est particulièrement facile à mettre en oeuvre car il est possible de déverser les grains du remblai depuis le haut du puits pour former le remblai par gravité. Le matériau utilisé pour le remblai peut avoir un coût très faible. Ce matériau peut être du sable ou du gravier de carrière. 15 Préférentiellement, la galerie est la galerie la plus haute qui traverse ou débouche dans le puits. . La vitesse des mouvements de l'eau le long d'un puits (dans l'axe du puits, vertical) n'est pas homogène, et de tous les mouvements d'eau dans le puits, on cherche les plus lents et donc une vitesse minimale. 20 L'homme du métier peut connaitre cette vitesse minimale Celle-ci peut être obtenue par différentes méthodes de mesure et notamment celles décrites dans le document « Modélisation thermo-hydrodynamique d'un réservoir minier profond ennoyé - Le cas du Bassin Houiller Lorrain » (Thèse de Guillaume Reichart, Juin 2015). 25 A titre indicatif, la vitesse minimale prédéfinie peut être de l'ordre 0,3 mètre par minute, cette valeur typique étant connue de l'homme du métier comme étant la vitesse minimale des déplacements d'eau. On pourra également choisir une vitesse minimale plus faible, par exemple 0,03 mètre par minute. 30 Dès lors que les mouvements de l'eau par convexion les plus lents sont stoppés par le remblai, les mouvements de l'eau par convexion les plus rapides seront également stoppés, c'est pour cela que la vitesse minimale peut être définie comme plus faible qu'une vitesse minimale réelle et par exemple être définie à 0,03 mètre par minute. 35 A partir notamment de la vitesse minimale, l'homme du métier sait obtenir une hauteur de remblai et une taille de grain pour le remblai. 5 A titre indicatif, on peut mettre en oeuvre ce calcul en utilisant les conditions statiques du puits, c'est-à-dire lorsque de l'eau est dans le puits avec une température dépendant uniquement de la température des terrains. En fait, si l'on considère comme point le plus haut d'un puits un 5 point à l'interface entre l'eau et l'air, et si l'on considère comme le point le plus bas la base du remblai formé, alors la différence de température entre ces deux points est élevée du fait du gradient géothermique terrestre. En conditions statiques, la différence de température entre le haut et le fond du puits s'étend typiquement entre 15 degrés Celsius et 35 10 degrés Celsius. Cela va provoquer l'apparition d'une différence de densité élevée avec une eau chaude au fond du puits, ce qui conduit à une instabilité à l'origine du mouvement de convection qui n'existe plus lorsque l'eau froide est stockée au fond d'un puits. Les différences de densité de l'eau entre le haut et le fond d'un 15 puits en conditions statiques sont donc plus importantes que celles entre l'eau froide stockée dans un puits et une galerie contenant de l'eau chaude, et ce pour la plupart des exploitations. On peut donc calculer la différence de pression entre le haut et le fond du puits, car celle-ci est supérieure à la différence de pression entre 20 de l'eau froide stockée dans un puits et une galerie contenant de l'eau chaude. On peut ensuite mettre en oeuvre des calculs pour choisir la taille des grains du remblai de manière à compenser cette différence de pression, car empêcher la différence de pression en conditions statiques 25 revient également à empêcher la différence de pression entre une eau froide et le fond d'une galerie, et donc les mouvements de l'eau par convexion entre la galerie et le puits à une vitesse supérieure à une vitesse minimale prédéfinie. On pourra ensuite utiliser l'équation de Darcy pour déduire de 30 cette différence de pression une perméabilité maximale admissible, en utilisant notamment la vitesse minimale et une hauteur de remblai fixée par exemple à 10 mètres. On peut ensuite en déduire une taille de grain pour le remblai en utilisant un modèle de Kozeny Carman bien connu de l'homme du métier. 35 L'invention n'est pas limitée à cette méthode de calcul de taille de grains, d'autres méthodes pouvant être appliquées pour former un remblai 6 qui empêchera la convexion, et il pourra notamment être utilisé un remblai présentant un gradient de tailles de grains mais dont les tailles permettent d'empêcher les mouvements de l'eau par convexion. On pourra utiliser d'autres méthodes connues de l'homme du 5 métier pour estimer une taille de grain à partir d'une perméabilité, et notamment l'équation de Krumbein et Monk, le modèle de Berg, ou encore le modèle de Van Baaren. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on forme, préalablement à ladite formation du remblai, un remblai préliminaire ayant 10 une perméabilité supérieure à celle du remblai et destiné à être placé au niveau de ladite galerie. Ce remblai préliminaire permet de supporter le remblai qui empêche la convexion, et il permet d'autoriser la circulation d'eau dans la galerie qui peut traverser le puits. En effet, il existe des mouvements 15 d'eau horizontaux dans les galeries, notamment parce qu'une ancienne mine forme un système hydraulique muni de plusieurs points d'entrée/sortie, avec notamment des pompes qui contrôlent le niveau de l'eau dans la mine, ce qui peut conduire à des mouvements d'eau horizontaux dans la mine. Il est donc préférable de ne pas obstruer une 20 galerie qui traverse un puits et de permettre une perméabilité horizontale au moins au niveau de la galerie. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le remblai préliminaire a une perméabilité supérieure ou égale à 100 darcy. L'homme du métier saura choisir la taille des grains du remblai 25 préliminaire pour obtenir une telle perméabilité (par exemple une taille de grain de l'ordre du centimètre). Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le remblai est recouvert d'une couche supérieure d'un matériau choisi pour avoir une perméabilité plus faible que celle du remblai. 30 Ceci permet d'utiliser un matériau différent de celui utilisé pour le remblai pour limiter encore plus les mouvements de convexion d'eau. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, la couche supérieure présente une porosité inférieure à 15%. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le matériau de la 35 couche supérieure comporte une argile et/ou un polymère. 7 On pourra notamment utiliser une argile en forme de billes enrobées dans une enveloppe soluble qui s'hydratent une fois le remblai atteint pour former une couche peu perméable. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, préalablement à la 5 formation du remblai, on descend un plateau jusqu'à une profondeur choisie, et l'on forme le remblai ou le remblai préliminaire sur le plateau. Ainsi, si on veut éviter les mouvements par convexion entre le puits et une galerie située en hauteur dans le puits, on descendra le plateau jusqu'à une profondeur située au-dessus de la galerie dans le 10 puits. Alternativement, on formera le remblai en remblayant sur le fond du puits avec une épaisseur suffisante pour dépasser la galerie pour enfin former le remblai lui-même. Préférentiellement, le remblai préliminaire est formé jusqu'à dépasser la galerie. 15 Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on ancre le plateau à ladite profondeur choisie aux parois du puits préalablement à la formation dudit remblai. L'invention propose également un procédé de stockage d'énergie thermique dans un puits d'une mine convertie au moyen du procédé de 20 conversion de puits de mine tel que défini ci-avant, dans lequel on injecte ou on soutire de l'eau au-dessus du remblai formé dans le puits. Selon un mode particulier de mise en oeuvre : - on injecte ou on soutire de l'eau à une première température à une première profondeur, et 25 - on injecte ou on soutire de l'eau à une deuxième température inférieure à la première température à une deuxième profondeur plus profonde que la première profondeur, de manière à stocker une eau plus chaude dans une portion supérieure du puits et une eau plus froide dans une portion inférieure du puits. 30 La première et la deuxième température peuvent ne pas être constantes, la deuxième température est néanmoins inférieure à la première température pendant au moins une période. Les inventeurs de la présente invention ont observé qu'il est préférable de stocker l'eau la plus froide en dessous de l'eau la plus 35 chaude pour éviter de générer des phénomènes de convexion dans le puits au-dessus du remblai. 8 Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on injecte ou on soutire de l'eau à la deuxième température au moyen d'un tube traversant au moins partiellement la portion supérieure du puits, débouchant dans la partie inférieure du puits, et muni d'une enveloppe isolante. 5 L'enveloppe isolante peut être une couche d'un matériau isolant ou encore un espace annulaire vide autour du tube. L'eau qui circule dans le tube reste ainsi plus froide jusqu'à atteindre la portion inférieure du puits. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on injecte de l'eau à 10 la deuxième température en utilisant un tube annulaire entourant un tube central muni d'une pompe utilisée pour soutirer de l'eau à la deuxième température. Cette solution est avantageuse car elle permet à l'eau froide d'entourer la pompe pour la refroidir. En outre, elle permet de limiter le 15 nombre de tubes à descendre dans le puits. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on injecte de l'eau à la deuxième température en utilisant un tube traversant au moins partiellement la portion supérieure du puits, débouchant dans la partie inférieure du puits, ayant un diamètre compris entre 5 et 15 centimètres. 20 En utilisant un tube de petit diamètre, on réduit le temps de séjour de l'eau froide dans ce tube, ce qui limite le réchauffement de l'eau froide. 25 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples dépourvus de tout caractère 30 limitatif. Sur les figures : - les figures lA et 1B représentent de façon schématique la formation d'un remblai dans un puits de mine, - les figures 2A à 2D représentent de façon schématique l'utilisation d'un 35 plateau pour y former le remblai, 9 - les figures 3A et 3B représentent les tubes pour l'injection et le soutirage d'eau dans un puits de mine selon un exemple, - la figure 4A illustre le phénomène de convexion apparaissant dans un puits de mine n'ayant pas été converti, 5 - la figure 4B illustre l'effet du remblai, - la figure 5 montre la différence entre un stockage d'eau chaude et d'eau froide selon la technique antérieur et un stockage selon l'invention, et - les figures 6A et 6B montrent des variations de température dans le puits à différents instants. 10 Description détaillée d'un mode de réalisation Nous allons maintenant décrire un procédé de conversion d'un puits d'une mine pour le stockage d'énergie thermique en utilisant de l'eau 15 stockée dans le puits, conformément à un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un puits 10 d'une ancienne mine qui a été ennoyée. Cette ancienne mine peut par exemple être une ancienne mine de houille qui a été remplie d'eau. 20 Le puits 10 est traversé par une galerie 11 au niveau du fond du puits. Du fait du gradient géothermique des terrains, l'eau stockée dans la galerie 11 a une température élevée. Dans des applications, on peut stocker de l'eau froide dans le puits 10, par exemple de l'eau à environ 13 degrés Celsius. 25 Si le puits a une profondeur de l'ordre de 1000 mètres, la température des terrains au fond du puits peut être de l'ordre de 35 degrés Celsius. Or, l'eau a une densité qui augmente d'environ 3 kilogrammes par mètre cube lorsque sa température baisse de 10 degrés Celsius. De ce fait, l'eau à environ 13 degrés stockée dans le puits peut 30 entrer en mouvement pour aller dans la galerie 11 remplacer l'eau chaude qui s'y trouve, et l'eau stockée dans le puits 10 voit sa température augmenter. Dans le puits représenté sur la figure 1, la vitesse minimale de l'eau peut être de l'ordre de 0,3 mètre par minute si cette convexion n'est pas empêchée. 10 Pour permettre le stockage d'eau froide dans le puits 10, on a représenté sur la figure 1 le déversement de matériaux en forme de grain 12, par exemple des grains de sable ou du gravier de carrière. Ainsi, on peut former un remblai 13 au-dessus de la galerie 11. On 5 notera que pour être au-dessus de la galerie 11, le remblai 13 repose sur un remblai préliminaire 14 qui a la hauteur de la galerie 11. La taille des grains du remblai et la hauteur du remblai peuvent être choisis pour empêcher la convexion de l'eau entre le puits 10 et la galerie 20. Cela revient à empêcher au moins les mouvements à la vitesse 10 la plus lente qui est de 0,3 mètre par minute. On peut même empêcher les mouvements à une vitesse encore plus lente (par exemple 0,03 mètre par minute) de manière à bien limiter les mouvements par convexion de l'eau dans le puits vers la galerie 20. La taille des grains peut être calculée. A cet effet, on utilise la 15 différence de pression entre le point le plus haut et le point le plus bas du puits Zmin et Zmax indiqués que la figure 1A. On peut noter que si l'on ne forme pas le remblai sur le fond du puits mais par exemple sur un plateau, on peut placer Zmin au niveau du plateau. 20 Cette différence de pression est obtenue par le calcul suivant : à./9 = Ap * g * H Avec 3,P la différence de pression entre Zmin et Zmax, Ap la différence de densité de l'eau entre Zmin et Zmax, g l'accélération de la pesanteur à la surface de la Terre, et H la différence entre Zmin et Zmax. Ar) peut être obtenu à partir du gradient géothermique de la terre 25 et d'une table qui fournit des valeurs de densité de l'eau pour des valeurs de température. Ap a généralement une valeur de l'ordre de quelques kilogrammes par mètre cube. Pour générer une perte de charge supérieure à Zip on peut former un remblai dont la perméabilité est inférieure à Klim: g *Vlim* L Klim REVENDICATIONS1. Procédé de conversion d'un puits (10, ..., 40) d'une mine pour le stockage d'énergie thermique en utilisant de l'eau stockée dans le puits, la mine comprenant au moins une galerie (11, 21, 22, 41) traversant ou débouchant sur le puits, le procédé comportant une formation dans le puits d'un remblai (13, 26) au-moins partiellement au-dessus d'une portion du puits traversée par ou dans laquelle débouche la galerie, le remblai ayant une hauteur choisie et comprenant des grains (12) ayant une taille choisie, de sorte à produire dans le puits une perte de charge apte à compenser au moins partiellement les mouvements de l'eau par convexion entre la galerie et le puits à une vitesse supérieure à une vitesse minimale prédéfinie. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on forme, préalablement à ladite formation du remblai, un remblai préliminaire (14) ayant une perméabilité supérieure à celle du remblai et destiné à être placé au niveau de ladite galerie. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le remblai préliminaire a une perméabilité supérieure ou égale à 100 darcy. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le remblai est recouvert d'une couche supérieure (16, 27) d'un matériau choisi pour avoir une perméabilité plus faible que celle du 25 remblai. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la couche supérieure présente une porosité inférieure à 15%. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le matériau de la couche supérieure comporte une argile et/ou un polymère. 30 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, préalablement à la formation du remblai, on descend un plateau (23) jusqu'à une profondeur choisie, et l'on forme le remblai ou le remblai préliminaire sur le plateau. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on ancre le 35 plateau à ladite profondeur choisie aux parois du puits préalablement à la formation dudit remblai. 18 9. Procédé de stockage d'énergie thermique dans un puits d'une mine convertie au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel on injecte ou on soutire de l'eau au-dessus du remblai formé dans le puits. 5 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel : - on injecte ou on soutire de l'eau à une première température à une première profondeur (Z1), et - on injecte ou on soutire de l'eau à une deuxième température inférieure à la première température à une deuxième profondeur (Z2) plus profonde 10 que la première profondeur, de manière à stocker une eau plus chaude dans une portion supérieure du puits et une eau plus froide dans une portion inférieure du puits. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on injecte ou on soutire de l'eau à la deuxième température au moyen d'un tube (36) 15 traversant au moins partiellement la portion supérieure du puits, débouchant dans la partie inférieure du puits, et muni d'une enveloppe isolante. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel on injecte de l'eau à la deuxième température en utilisant un tube annulaire 20 (34) entourant un tube central muni d'une pompe (35) utilisée pour soutirer de l'eau à la deuxième température. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 11, dans lequel on injecte de l'eau à la deuxième température en utilisant un tube (36) traversant au moins partiellement la portion supérieure du puits, débouchant dans la partie inférieure du puits, ayant un diamètre compris entre 5 et 15 centimètres.30