Brevet FR3070064A1 — publié le 20190215

L'invention concerne le stockage et la production d'énergie thermique dans les milieux géologiques à perméabilité et porosité suffisantes pour présenter une capacité de stockage significative du fait de la présence d'eau, tels que, mais pas uniquement, les formations aquifères. On appelle « formation aquifère » une structure géomorphologique constituée de roches perméables renfermant de l'eau, de façon temporaire ou permanente, et apte à restituer cette eau naturellement et/ou par exploitation. On différencie usuellement : - Les formations aquifères à nappe libre surmontées de terrains perméables et disposant d'une surface piézométrique libre et d'une zone non saturée. - Les formations aquifères artésiennes dont la surface piézométrique est située au- dessus de la surface du sol. - Les formations aquifères captives intercalées entre deux formations quasi imperméables. - Les formations aquifères semi-captives surmontées d'une couche semi15 perméable relativement mince et/ou surmontant une telle couche à travers laquelle l'eau peut pénétrer dans la formation aquifère ou en sortir. On différencie usuellement : - les capacités de stockage d'eau dans lesquelles l'eau circule naturellement à relativement faible vitesse et étant propices au stockage d'énergie thermique, 20 - les capacités de stockage d'eau dans lesquelles l'eau circule naturellement à relativement grande vitesse et n'étant donc pas particulièrement propice au stockage d'énergie thermique, c'est à dire lorsque l'énergie thermique est transportée sous l'effet de la circulation naturelle de l'eau à une distance telle que l'énergie thermique stockée ne peut pas être récupérée de manière efficace et économique. 25 - les capacités de stockage d'eau creusées ou formées dans les espaces souterrains, soit du fait de phénomènes naturels, soit obtenues, totalement ou partiellement du fait de l'action de l'homme. Les formations aquifères et capacités de stockage d'eau propices au stockage d'énergie thermique ne recouvrent qu'une fraction du globe et on peut remarquer que, 30 en règle générale, les formations aquifères profondes, c'est-à-dire au-delà de quelques dizaines ou centaines de mètres de profondeur, bénéficient d'une vitesse de circulation plus lente que les formations aquifères plus proches de la surface. Dès lors que la vitesse de circulation est jugée acceptable, une formation aquifère peut présenter un intérêt pour le stockage périodique, voire inter-saisonnier, d'énergie 35 thermique ; la condition étant toutefois que le système potentiellement utilisateur de cette énergie thermique, appelé ci-après « dispositif utilisateur », soit localisé à une distance suffisamment proche pour que cela soit économique. 2 Parmi les dispositifs utilisateurs, peuvent être comptabilisés les systèmes de chauffage et de rafraîchissement, pour le confort thermique des bâtiments aussi bien que, plus généralement, pour tout processus thermique, notamment agricole ou industriel, y compris ceux produisant de la force mécanique ou de l'électricité. 5 A ce jour, ces formations aquifères peuvent faire l'objet d'une exploitation géothermique via des dispositifs fonctionnant en boucle ouverte ou via des échangeurs géothermiques en boucle fermée, c'est à dire un dispositif géothermique qui utilise un fluide caloporteur, pouvant être de l'eau, qui circule dans des conduites étanches implantées dans les formations, aquifères ou non. Un dispositif géothermique en boucle 10 ouverte utilise l'eau contenue dans la formation aquifère comme fluide caloporteur ; lequel fluide caloporteur est pompé jusqu'à des moyens localisés en surface où il transmet son énergie thermique au dispositif utilisateur via un équipement approprié avant d'être réintroduit dans le milieu naturel. D'une manière générale, tous ces dispositifs géothermiques en boucle ouverte disposent de moyens de pompage de l'eau et de moyens de réinjection de l'eau dans le niveau aquifère d'origine. Cette réinjection de l'eau est une disposition essentielle qui permet, notamment, d'éviter que le niveau aquifère concerné ne se vide de son eau et que les équilibres hydrogéologiques, et aussi géochimiques, soient perturbés au point de remettre en cause l'intérêt énergétique, économique et environnemental de l'exploitation. A titre d'illustration, le volume puisé et réinjecté chaque saison par une telle exploitation géothermique qui fonctionne continument pendant 4 000 heures avec un débit de 250 m3/h pour fournir de l'énergie thermique pour du chauffage représente 1 million de mètres cube d'eau ; laquelle eau est réinjectée dans la formation aquifère à une température plus basse que la température de l'eau puisée. De la sorte, autour du point de réinjection de l'eau ainsi refroidie, se constitue un volume refroidi considérable qui va progressivement croître au fil des années, majoritairement selon une extension horizontale dont l'épaisseur est voisine de celle de la formation aquifère. Il est alors généralement constaté, par exemple après l'arrêt d'une exploitation, que la résorption du volume refroidi n'est que de moitié après plusieurs décennies et peut mettre plus d'un siècle avant de pouvoir considérer que l'impact thermique résiduel est devenu négligeable. Aussi, les architectures conventionnelles des ouvrages pour exploiter les ressources géothermiques dans les formations aquifères sont usuellement calculées pour faire en sorte que ce volume refroidi ne vienne pas perturber la température de l'eau pompée avant une trentaine d'années, voire une quarantaine d'années. L'occurrence de cette perturbation est usuellement désignée sous la dénomination : "percée thermique". La 3 seule solution technique disponible aujourd'hui consiste à espacer les points d'impact des ouvrages de pompage et de réinjection au niveau de la formation aquifère exploitée. De ce fait, le volume perturbé par l'installation géothermique est grand. Dans tout ce volume, aucune autre exploitation, sans distinction d'usage, ne pourra être 5 envisagée au risque d'interférer fortement avec telle opération géothermique. Pour cette raison notamment, il peut être essentiel de mettre en oeuvre des moyens pour limiter les impacts volumiques, en particulier des moyens de stockage d'énergie thermique dans la formation sollicitée. 10 On connaît déjà une méthode de stockage géothermique, notamment adapté à la technique du « doublet géothermique », dont le mode de fonctionnement est schématisé sur la figure 1. Cette méthode de stockage consiste à ménager au moins deux volumes 1, 2, à savoir un volume 1, au moins, dont la température est augmentée vis-à-vis de la température non perturbée de l'encaissant 3 (stock thermique « chaud ») 15 et un volume 2, au moins, pour lequel la température vis-à-vis de ce même encaissant 3 est abaissée (stock thermique « frais »). Cette technique met en général en jeu deux puits non représentés équipés chacun d'une canalisation pour l'injection 4, 6 du fluide caloporteur constitué par l'eau de la formation et pour le pompage 5, 7 de ce même fluide, ainsi que de moyens de pompage 8, 9 réversibles. Le principe du 20 fonctionnement est alors alternatif : 1. Dans un premier temps, l'eau du stock thermique « frais » 2 est pompée pour être réchauffée à partir d'une source extérieure non représentée avant d'être réinjectée dans le stock thermique « chaud » 1. 2. Dans un second temps, l'eau du stock thermique « chaud » 1 est pompée avant 25 d'être réinjectée dans le stock thermique « frais » 2 après avoir cédé sa chaleur à un dispositif extérieur non représenté. 3. Le processus est ensuite reconduit à l'infini selon une durée du cycle conforme à l'usage, par exemple saisonnière. On connaît également du document FR2950957 une méthode de stockage 30 souterrain d'énergie thermique par un fluide caloporteur suivant les étapes suivantes : - on dispose un puits d'injection du fluide interceptant une première zone d'un réservoir géologique, - on dispose un puits de production du fluide interceptant une deuxième zone dudit réservoir géologique, 35 - on établit une circulation du fluide entre les première et deuxième zone, - on contrôle les conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement synchrone avec une demande 4 déterminée d'énergie thermique. Ce document FR2950957 décrit un stockage souterrain inter-saisonnier, qui consiste à stocker l'énergie thermique (chaude ou froide) dans un aquifère en période d'excédent de production par rapport aux besoins, et à récupérer cette même énergie la 5 saison suivante, lorsque la production est en déficit par rapport à la demande. Autrement dit, le cycle de cette installation ne permet une exploitation de la chaleur qu'en saison hivernale, alors que dans l'autre partie du cycle, l'exploitation ne fonctionne que pour procéder à un stockage de chaleur afin de permettre à nouveau une exploitation de la chaleur durant la saison hivernale suivante. 10 L'invention a pour but de fournir une méthode alternative de stockage d'énergie thermique, fonctionnant indépendamment des cycles saisonniers. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de stockage et de production 15 d'énergie thermique (en milieu aquifère), le procédé comportant les étapes suivantes : - choix d'un dispositif utilisateur comportant des excédents d'énergie thermique supérieurs aux demandes en utilisation thermique, et choix d'un milieu aquifère contenant un fluide caloporteur ; - détermination d'une implantation dans le milieu aquifère d'un ou plusieurs 20 ouvrage(s) non réversible(s) permettant d'assurer l'injection d'énergie thermique et la production d'énergie thermique, et conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle entre les lieux d'injection et de production, le volume ainsi matérialisé étant le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère ; 25 - mise en place d'au moins un ouvrage selon l'implantation déterminée ; - définition d'un processus comprenant un ensemble de cycles, chaque cycle comprenant au moins une étape de production d'énergie thermique et au moins une étape de stockage d'énergie thermique, le processus permettant de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, 30 ce volume correspondant aux quantités d'énergie thermique à produire et aux quantités d'énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l'énergie thermique à produire ; et - production de fluide caloporteur et injection de ce même fluide caloporteur selon le processus défini à l'étape précédente. 35 On entend par « circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle » une circulation ne changeant jamais de sens entre les 5 lieux d'injection et de production. On entend par « ouvrage non réversible » un ouvrage dans lequel le sens de circulation du fluide caloporteur dans ledit ouvrage n'est pas réversible, c'est à dire n'ayant pas à disposer d'équipement réversible de pompage. 5 Dans les zones fortement urbanisées ou industrialisées, il est intéressant de raccorder des usagers pouvant être aussi bien consommateurs que producteurs puisque les rejets thermiques des uns peuvent représenter une ressource pour d'autres et inversement ; cela à la condition de savoir stocker temporairement les énergies 10 excédentaires en attente de la demande d'un usager. Autrement dit, une énergie fatale, quelle que soit son origine, n'a plus à être considérée comme perdue dès lors que la proximité des producteurs et des usagers rend cette récupération appropriée, y compris en concurrence ou en combinaison avec des ressources renouvelables comme, par exemple, le solaire thermique ou tout autre 15 source. Le procédé selon l'invention permet de stocker temporairement ces énergies excédentaires. En outre, du fait que les excédents thermiques peuvent être supérieurs ou inférieurs aux demandes en utilisation thermique, le procédé n'impose pas que la production de fluide caloporteur soit synchrone avec une demande déterminée 20 d'énergie thermique. Le procédé de stockage et de production d'énergie thermique peut en outre comporter l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. 25 - Le milieu aquifère est choisi dans le voisinage du dispositif utilisateur, c'est-à-dire qu'il est suffisamment proche du dispositif utilisateur pour que le procédé puisse être mis en oeuvre sans nécessiter une consommation excessive d'énergie. L'homme du métier saura déterminer un tel milieu dans le voisinage du dispositif utilisateur, 30 notamment, en fonction de la température du fluide caloporteur et de la qualité des conduites. En effet, plus le milieu aquifère sera éloigné du dispositif utilisateur, et plus les dépenses énergétiques pour faire circuler le fluide pourront être importantes de même que les pertes thermiques ; la détermination par l'homme du métier a donc en cela une dimension économique, notamment dépendante de la localisation, et ne peut 35 donc être précisée d'avantage. - Le processus est répété, ou peut être répété, plusieurs fois dans une même 6 saison. - La détermination de l'implantation d'un ou plusieurs ouvrage(s) non réversible(s) résulte de la caractérisation de la perméabilité et de la porosité des roches de la formation aquifère, et de la vitesse naturelle de l'écoulement de l'eau dans la formation 5 aquifère, et comporte la définition en conséquence de l'emplacement du ou des ouvrage(s) et de la distance entre les ouvrages lorsqu'ils sont plusieurs. - Lors de la définition du processus, on détermine globalement les débit et température du fluide caloporteur à réinjecter, leurs possibles variations, cycliques ou non, en fonction du fluide caloporteur à pomper selon son débit imposé par les moyens 10 de pompage et sa température. - On détermine l'implantation dans le milieu aquifère d'un unique ouvrage. - On détermine l'implantation dans le milieu aquifère de deux ouvrages. - On détermine globalement les températures et débits du fluide caloporteur afin de correspondre aux cycles de demandes et d'excédents ou productions en énergie 15 thermique d'un dispositif utilisateur. Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif et à l'appui des figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique de la méthode connue de 20 stockage d'énergie thermique en aquifère exploitant un doublet géothermique classique selon l'état actuel de la technique et exposée plus avant, - la figure 2 est une représentation schématique d'un système de stockage selon l'invention exploitant en l'adaptant la technique du doublet géothermique, - la figure 3 est une représentation schématique d'un système de stockage selon 25 l'invention exploitant en l'adaptant la technique géothermique du monopuits. On a représenté sur la figure 2 un premier mode de réalisation de l'invention, exploitant un doublet géothermique. Cette figure représente un système comportant deux ouvrages 10, 12, non réversibles, c'est-à-dire équipés sans moyens réversibles 30 de pompage, et implantés dans un milieu aquifère dont une partie 14 est représentée. Le milieu aquifère contient un fluide caloporteur. A proximité du milieu aquifère, est présent un dispositif utilisateur, non représenté, pour lequel des excédents thermiques existent au regard des demandes en utilisation thermique. L'un des ouvrages 10 est 7 équipé de moyens 16 pour le pompage du fluide caloporteur afin d'alimenter le dispositif utilisateur ; ces moyens, ci-après dits "de pompage unidirectionnel", ne sont pas réversibles. L'autre ouvrage 12 est équipé afin de constituer une canalisation pour l'injection du fluide caloporteur à partir du (ou des) dispositif(s) utilisateur(s) en énergie 5 thermique, d'autres dispositifs utilisateurs excédentaires en énergie thermique ou à partir d'autres sources d'énergie thermique, par exemple renouvelables. Dans le procédé de stockage et de production d'énergie thermique illustré sur cette figure, on procède tout d'abord au choix du dispositif utilisateur qui comporte des excédents d'énergie thermique disponibles supérieurs aux demandes en utilisation 10 thermique dans le même temps, et au choix du milieu aquifère contenant un fluide caloporteur. Dans ce mode de réalisation, le milieu aquifère est choisi dans le voisinage du dispositif utilisateur. On détermine ensuite l'implantation dans le milieu aquifère des deux ouvrages 10, 12, non réversibles. Les deux ouvrages 10, 12, permettent, sans inverser le sens de la 15 circulation du fluide caloporteur, d'assurer l'injection d'énergie thermique, dans ce cas particulier l'injection des excédents d'énergie thermique à stocker et la production d'énergie thermique. En effet, l'un des ouvrages 12 permet l'injection et l'autre 10 permet la production. Les deux ouvrages 10, 12, sont conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction 20 globalement unidirectionnelle représentée par la flèche 18, entre les lieux d'injection, par l'intermédiaire de la canalisation d'injection, et de production, par l'intermédiaire de la canalisation de pompage. Le volume 14 ainsi matérialisé est le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère. Dans l'exemple de la figure 2, la direction 18 de circulation du fluide caloporteur est horizontale. Son sens de 25 circulation ne change jamais. Il est toujours depuis l'ouvrage d'injection 12 vers l'ouvrage de puisage 10 et de production. On met ensuite en place les deux ouvrages 10, 12, selon l'implantation déterminée. On définit également un processus comprenant un ensemble de cycles. Chaque cycle comprend au moins une étape de production d'énergie thermique et au moins 30 une étape de stockage d'énergie thermique. Le processus peut avoir une durée correspondant à un cycle saisonnier ou, avec avantage, le processus peut être reconduit plusieurs fois durant un cycle saisonnier ; cela de manière à permette de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d'énergie thermique à 35 produire et aux quantités d'énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l'énergie thermique à produire. On produit enfin le fluide caloporteur et on l'injecte selon le processus défini ci-avant. 8 Dans ce mode de réalisation, il y a une alternance des injections d'énergie thermique dont le cumul correspond globalement aux puisages d'énergie thermique. Ce procédé a un fonctionnement pouvant être continu, et adapté en fonction de la demande. 5 On a représenté sur la figure 3 un deuxième mode de réalisation de l'invention. Il se distingue principalement du mode de réalisation de la figure 2 en ce qu'il exploite la technique géothermique du « nnonopuits ». Il met en effet en jeu un unique ouvrage non représenté équipé d'une canalisation d'injection 20 et d'une canalisation de pompage 22 ; laquelle est associée à un moyen de pompage 24 unidirectionnel car la 10 réversibilité du sens de circulation du fluide caloporteur n'est pas requise pour le bon fonctionnement, bien au contraire. La représentation sur la figure 3 correspond à une réalisation d'un « monopuits » selon l'invention où une canalisation unique 22 de production est placée au centre d'une canalisation unique d'injection 20, définissant ainsi une géométrie de forme globalement coaxiale, mais diverses variantes, non 15 représentées, de réalisation d'un tel « monopuits » existent, qui peuvent contenir plusieurs canalisations d'injection ou plusieurs canalisations de production dont la géométrie n'est pas nécessairement coaxiale. Dans ce mode de réalisation, l'ouvrage est implanté dans un milieu aquifère 26 de telle sorte que les profondeurs de débouché des canalisations d'injection et de production sont différentes. Les étapes du procédé 20 selon ce mode de réalisation sont les mêmes que dans le mode de réalisation précédent. Ainsi, l'ouvrage permet l'injection et la production sans que le sens de circulation du fluide caloporteur n'ait à être inversé. L'ouvrage est conçu de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle entre les lieux d'injection, par l'intermédiaire de la 25 canalisation d'injection 20, et de production, par l'intermédiaire de la canalisation de pompage 22. Ainsi, sur la figure 3, la direction de la circulation du fluide est globalement verticale ; l'exemple représenté étant celui d'une circulation dans le milieu aquifère allant de haut en bas mais l'inverse étant évidemment possible selon la définition du processus. Le fluide caloporteur est acheminé depuis la canalisation d'injection 20 vers 30 la partie inférieure de l'ouvrage, où il est pompé, sous l'action des moyens de pompage 24, et il remonte de ce fait dans la canalisation de pompage 22 pour alimenter le dispositif utilisateur, non représenté. Comme dans le mode de réalisation précédent, il y a une alternance des injections d'énergie thermique dont le cumul correspond globalement aux puisages d'énergie thermique. Ce procédé a un fonctionnement 35 pouvant être continu et adapté à la demande. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes 9 de réalisation apparaîtront clairement à l'homme REVENDICATIONS1. Procédé de stockage et de production d'énergie thermique (en aquifère), le procédé comportant les étapes suivantes : - choix d'un dispositif utilisateur comportant des excédents d'énergie thermique supérieurs aux demandes en utilisation thermique, et choix d'un milieu aquifère (14) contenant un fluide caloporteur ; - détermination d'une implantation dans le milieu aquifère d'un ou plusieurs ouvrage(s) (10, 12) non réversible(s) permettant d'assurer l'injection d'énergie thermique et la production d'énergie thermique, et conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle (18) entre les lieux d'injection et de production, le volume ainsi matérialisé étant le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère (14) ; - mise en place d'au moins un ouvrage (10, 12) selon l'implantation déterminée ; - définition d'un processus comprenant un ensemble de cycles, chaque cycle comprenant au moins une étape de production d'énergie thermique et au moins une étape de stockage d'énergie thermique, le processus permettant de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d'énergie thermique à produire et aux quantités d'énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l'énergie thermique à produire ; et - production de fluide caloporteur et injection de ce même fluide caloporteur selon le processus défini à l'étape précédente. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le milieu aquifère (14) est choisi dans le voisinage du dispositif utilisateur. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le processus est répété, ou peut être répété, plusieurs fois dans une même saison. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la détermination de l'implantation d'un ou plusieurs ouvrage(s) (10, 12) non réversible(s) résulte de la caractérisation de la perméabilité et de la porosité des roches de la formation aquifère, et de la vitesse naturelle de l'écoulement de l'eau dans la formation aquifère, et comporte la définition en conséquence de l'emplacement du ou des ouvrage(s) et de la distance entre les ouvrages lorsqu'ils sont plusieurs. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de la définition du processus, on détermine globalement une température et un débit 11 du fluide caloporteur à réinjecter, en fonction du débit imposé par les moyens de pompage (16, 24) et de la température du fluide caloporteur pompé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine l'implantation dans le milieu aquifère d'un unique ouvrage. 5 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine l'implantation dans le milieu aquifère de deux ouvrages (10, 12). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine globalement les températures et débits du fluide caloporteur afin de correspondre aux cycles de demandes et d'excédents ou productions en énergie 10 thermique du dispositif utilisateur.