Stockage d’Energie Souterrain (SES)
La géothermie dispose d’une capacité naturelle de stockage de la chaleur de par la capacité calorifique des roches qu’elle exploite. La capacité calorifique d’une roche est fonction de sa capacité thermique spécifique et de sa densité. Plus une roche est dense et plus elle permet de stocker de la chaleur. Ce principe physique démontre le potentiel dont dispose le sous-sol pour développer des « batteries thermiques souterraines » à la capacité illimitée.
De par la densité thermique naturelle des roches, la Géothermie en boucle fermée permet de développer du stockage souterrain intersaisonnier sur forage. Cette « brique géothermique » n’a pas recours à l’emploi de minerais rares et implémente que des technologies déjà existantes.
La technologie du stockage thermique souterrain par forage fait référence à l’acronyme anglais de BTES ou « Borehole Thermal Energy Storage ». Un BTES exploite la capacité calorifique naturelle des roches. Le transfert d’énergie entre le sous-sol et la surface se fait par simple conduction thermique et sans échange de matière. Le stockage d’énergie souterrain n’exploite pas la ressource en eaux souterraines.
Un BTES exploite le sous-sol à partir d’échangeurs souterrains qualifiés de « boucle fermée » ou « closed loop ». Dans le registre de cette technologie de stockage il convient de distinguer les BTES dits de basse température ou « Low Température » des BTES dits de haute température ou « High Temperature » :
Figure 6. Positionnement du stockage souterrain sur forage ou BTES (Borehole Thermal Energy Storage) par rapport aux autres technologies de stockages existantes (source : ATEE et AGES)
LT BTES :
Les LT BTES ou « stockages thermiques souterrains par forage dits de basse température » sont assimilables à des installations de géothermie de surface du type champ de SGV (Sondes Géothermiques Verticales).
Les champs de SGV se réfèrent réglementairement à de la Géothermie dite de Minime Importance (GMI).
Figure 6. Champ de SGV (Sondes Géothermiques Verticales) exploité en « LT BTES » (Low Temperature Borehole Thermal Energy Storag ) (source : Underground Energy, LLC – USA)
Un LT BTES permet de produire du chaud et du froid qui est, soit passif (rafraichissement), soit actif (climatisation). Ainsi, le prélèvement des calories en hiver est suivi d’une recharge partielle ou totale de calories en été et le sous-sol est maintenu autour de sa température d’origine. Par conséquent le sous-sol subit peu de variation de température sur le long terme. C’est un stockage que l’on peut qualifier de « basse température » du fait qu’il reste dans les limites des températures prescrites par le cadre réglementaire (Code Minier – GMI) utilisant le sous-sol à des températures typiquement entre 4 et 25°C. La chaleur du sous-sol est valorisée au travers de pompes à chaleur dites également de basse température ou PAC BT. Il s’agit alors d’exploiter la ressource géothermique à partir de la valorisation d’échanges énergétiques avec le sous-sol, tant en extraction de chaleur (décharge) pour alimenter la PAC BT sur son évaporateur lorsqu’elle chauffe le bâtiment qu’en injection (charge) pour permettre à la PAC BT de se libérer de sa chaleur fatale du condenseur lorsqu’elle climatise. On pourra également retrouver des LT BTES avec une recharge partielle du sous-sol par des capteurs solaires ou tout autre chaleur fatale (Condenseur à Eau des Groupe Froid) ou peu couteuse en été sur le principe de respecter le seuil réglementaire de température d’injection dans les échangeurs souterrains de 40°C.
Techniquement, un LT BTES est constitué d’une multitude de forages pouvant être implantés de façon désordonnée. Les forages sont généralement de 5’’ (127mm) de diamètre plus ou moins profonds (typiquement 30 à 200 mètres unitaire) et plus ou moins rapprochés (typiquement 6 à 10 mètres d’écartement). Ils sont tous équipés d’échangeurs en circuits fermées en simple U ou double U (allers-retours). Ces échangeurs sont en PEHD (polyéthylène haute densité) de 32 à 40mm de diamètre. Ils permettent de faire circuler un fluide caloporteur à l’état liquide composé d’eau glycolée, qui va permettre l’échange calorifique entre les roches traversées et le local technique en surface qui reçoit les PAC BT.
Le nombre de forages (sondes géothermiques) est défini à partir de la puissance thermique à couvrir, de la quantité d’énergie à exploiter, des paramètres géophysiques du sous-sol (conductivité et capacité thermiques des roches), en considérant le contexte hydrogéologique.
Un LT BTES doit prendre en compte l’équilibre entre les usages énergétiques exploités par le système (extraction et injection de calories) en lien avec les besoins énergétiques à couvrir par l’installation et le seuil de température d’injection toléré réglementairement de 40°C maximum.
Les HT BTES :
Les HT BTES ou « stockages thermiques souterrains par forage dits de haute température » sont assimilables à des installations de géothermie profonde qualifiés réglementairement de « stockage souterrain d’énergie calorifique » en tant que gîte géothermique.
C’est un stockage que l’on peut qualifier de « haute température » du fait qu’il valorise des sources d’énergies renouvelables (solaire thermique, biomasse) intermittentes ou de récupération (chaleur fatale de process industriels) à « haute température ». Les plages de température d’injection d’un HT BTES sont en mesure de dépasser les 100°C du fait d’être en circuits fermés.
Figure 6. Stockage souterrain d’énergie calorifique ou « HT BTES » (High Temperature Borehole Thermal Energy Storag ) (source : AGES)
Un HT BTES permet une utilisation soit directe de la chaleur stockée dans le sous-sol, soit complétée par une élévation des températures au travers de pompes à chaleur qualifiées de haute température ou PAC HT. Un HT BTES permet une production d’eau chaude, d’eau surchauffée ou encore d’électricité selon ses cas d’application.
L’exploitation d’un HT BTES à travers l’injection de calories à « haute température » génère une augmentation de la température du sous-sol décorrélée du gisement naturel d’un site. Cela signifie que le stockage souterrain à une profondeur définie est à une température nécessairement plus élevée que le gradient géothermique naturel des roches mobilisées. (en France le gradient géothermique est en moyenne de 30°C d’augmentation par 1 000m de profondeur forée en considérant que le sous-sol est autour de 10°C de température à 10m de profondeur).
Figure 6. HT BTES – (High Temperature Borehole Thermal Energy Storage) – Echangeurs en boucle fermée – Augmentation de la température du sous-sol décolérée du gradient géothermique naturel (source : AGES)
Techniquement un HT BTES se compose d’une multitude de forages nécessitant une implantation très stricte afin de constituer un volume de terrain le plus homogène possible thermiquement. Les forages sont de diamètre 5’’ (127mm) à 12’’ (304.8mm), plus ou moins profonds (de 30 à 2000 mètres unitaire) et nécessairement rapprochés (typiquement 3 à 10 mètres d’écartement). Les forages sont équipés d’échangeurs en circuits fermés en simple U ou double U (allers-retours) ou en sondes coaxiales. Ces échangeurs peuvent être en PERT (polyéthylène à haute résistance à la température) ou en PEX (polyéthylène réticulé), en matériaux composites ou encore en acier, de 32mm de diamètre à plus de 9’’1/2 (241.3mm) de diamètre. Ils permettent de faire circuler un fluide caloporteur à l’état liquide ou gazeux, qui va permettre l’échange calorifique entre les roches traversées et le local technique en surface.
Le nombre de forages (sondes géothermiques) est défini à partir de la puissance thermique à couvrir, de la quantité d’énergie à valoriser et extraire (charge et décharge), du type d’échangeurs souterrains mis en œuvre, de l’écartement entre forage, du volume de stockage à constituer, du rapport de forme du stockage souterrain mis en oeuvre et ceci en prenant en compte les paramètres géophysiques du sous-sol (conductivité et capacité calorique des roches), et en considérant le contexte hydrogéologique du site.
Un HT BTES nécessite de prendre en compte l’équilibre entre les cycles de charges et de décharges thermiques par rapport à la température de stockage souterrain visé et aux profondeurs de stockage choisies pour permettre la bonne exploitation du système et ceci en lien avec les usages et besoins énergétiques à couvrir en surface. Les plages de température d’injection supportées dans un HT BTES sont nécessairement supérieures à 40°C contrairement à un LT BTES.
Le graphique suivant, résume les différentes technologies et usages possibles pour un BTES.
Figure 7 : Inventaire de la filière Géothermie et ses technologies par rapport au stockage souterrain sur forage (BTES) en interface du cadre réglementaire (Code Minier) – (source : AGES)