Le stockage de chaleur inter-saisonnier : une solution étudiée sur le site de Paris-Saclay pour adapter à long-terme la boucle tempérée aux spécificités de la 5GDHC
D2Grids Project
Le stockage de chaleur pour équilibrer la production et la demande est un des principes de base de la définition des systèmes 5GDHC, réseaux de chaleur et de froid de 5e génération. Il peut être réalisé à différentes échelles de temps (court-terme et long-terme) et être de différentes natures (stockage dans des réservoirs en surface, stockage géologique dans des aquifères, mines, champs de sondes…).
Il est néanmoins indispensable d'étudier les effets de la réinjection d'eau à une température plus chaude ou plus froide dans les sous-sols lors de ce stockage. Celle-ci peut en effet perturber l'équilibre chimique des eaux souterraines et avoir un impact sur les propriétés des roches sédimentaires contenant les nappes d’eau.
Le stockage de chaleur géologique inter-saisonnier en aquifère
A travers le projet D2Grids et pour répondre aux spécificités de la technologie 5GDHC, il est envisagé d’étudier la pré-faisabilité d’inverser le flux des doublets géothermiques de l’Albien du pilote de Paris-Saclay pour du stockage inter-saisonnier.
Coupe du Bassin de Paris et principaux aquifères profonds (©BRGM)
Le principe du stockage inter-saisonnier repose sur :
- du stockage de froid en hiver lorsque la demande de chaleur est supérieure. Pour cela, l’eau de la nappe de l’Albien est pompée au puits « chaud » initialement à la température de l’aquifère (30°C). Une fois les calories récupérées au niveau de l’échangeur en surface, cette eau est ensuite réinjectée dans la nappe de l’albien à une température nettement inférieure (potentiellement entre 5 et 10°C), dans le second puits du doublet (puits « froid ») ;
- du stockage de chaud en été lorsque la demande de froid est supérieure. Le sens de circulation du doublet est alors inversé. L’eau est pompée dans le puits « froid » et réinjectée, une fois réchauffée à la température initiale de l’aquifère (30°C) ou potentiellement supérieure, dans le puits « chaud ».
Afin d’étudier la faisabilité technique et environnementale du stockage géologique sur le site pilote, le BRGM propose son expertise dans le cadre du projet INTERREG D2Grids pour la réalisation d’études complémentaires telles que :
- l’étude des impacts hydro-thermiques du stockage de chaleur et/ou froid à l’Albien pour différentes températures de stockage et taux de récupération potentiel de la chaleur stockée ;
- la caractérisation géochimique et microbiologique de l’aquifère lors du stockage de chaleur et/ou de froid avec la réalisation d’essais de percolation en laboratoire.
Les essais haute-pression en laboratoire
Un aquifère est composé d’un ensemble de roches poreuses qui sont plus ou moins saturées en eau. Cette dernière est en équilibre chimique avec la phase minérale de l’aquifère, équilibre qui dépend d’un très grand nombre de conditions environnementales telles que la température, la pression, la nature des roches, la composition initiale de l’eau…
Schéma de différents systèmes aquifères (©AFB)
L’exploitation d’un aquifère associé à du stockage inter-saisonnier modifie certaines de ces conditions, ce qui peut engendrer un ensemble de réactions de dissolution et de précipitation potentiellement délétère à l’environnement et au procédé. Le système est trop complexe pour anticiper et quantifier l’effet de ces modifications in situ. C’est pourquoi, il est nécessaire de reproduire le procédé en laboratoire pour étudier précisément les phénomènes physico-chimiques mis en jeux. L’aquifère ciblé étant situé à plus de 600 m de profondeur, il est nécessaire d’utiliser des dispositifs expérimentaux spécifiques pouvant supporter la pression, tels que ceux de la plateforme BioREP du BRGM , dédiée à l’étude des systèmes géologiques profonds. Ces dispositifs sont adaptés à la réalisation d’essais de percolation à différentes températures et sur plusieurs semaines.
Photos de l’un des dispositifs de la plateforme haute-pression BioREP du BRGM (©BRGM).
La microbiologie de l’aquifère
Les milieux souterrains, même profonds, peuvent présenter une microbiodiversité importante. La difficulté pour étudier ces milieux est que ces microorganismes sont généralement présents en faible quantité du fait des ressources limitées pour leur développement. Néanmoins, l’exploitation d’un aquifère lors du procédé de stockage entraîne une perturbation du milieu (dissolution des roches, changement de température, apport en oxygène et changement de REDOX…) qui est susceptible de fournir des sources d’énergie et de créer des conditions propices à l’activation de certains microorganismes. Le BRGM possède une expertise reconnue en écologie microbienne environnementale et réalisera une étude préliminaire visant à étudier l’impact du stockage de chaleur inter-saisonnier sur la microflore bactérienne de l’aquifère de l’Albien, aquifère stratégique pour l’alimentation en eau potable en région Ile-de-France.
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