Stockage de chaleur sur le site démonstrateur de Paris-Saclay à l’Albien : réalisation de tests expérimentaux haute-pression pour une étude de préfaisabilité

Dans le cadre du projet européen D2Grids, le BRGM étudie les solutions géothermiques pour permettre le stockage inter-saisonnier dans les réseaux de chaleur et de froid de 5e génération. 

Une solution innovante a été proposée sur le site de l'Etablissement Public d’Aménagement Paris-Saclay : utiliser l'aquifère de l'Albien pour stocker l’excédent de chaleur. La préfaisabilité du projet fait l’objet d’une étude par le BRGM, sur l'impact des variations de température sur la géochimie de l’aquifère et des microorganismes qui y sont naturellement présents. 

Stockage inter-saisonnier : s’assurer de la viabilité du procédé

Le stockage de chaleur inter-saisonnier, dans l’aquifère de l’Albien, pourrait être une solution viable pour stocker la chaleur et ainsi éviter son rejet dans l’atmosphère. Ce stockage de chaleur alimenterait alors le réseau de chaleur et de froid de 5ème génération de l’Établissement Public d’Aménagement Paris-Saclay. Cela engendrerait néanmoins des variations de température importantes dans l’aquifère, notamment avec un réchauffement de l’eau proche de 50°C, alors que la température naturelle est d’environ 30°C. Ces variations de température auront alors pour conséquence de modifier les équilibres biogéochimiques (interactions entre l’eau, la roche et les microorganismes) qu’il convient d’analyser pour s’assurer de la viabilité du procédé à moyen terme. Il est à noter que l’Albien est également utilisé pour l’eau potable : son réchauffement n’est actuellement pas autorisé, car les équilibres biogéochimiques sont des plus importants pour la qualité de l’eau de l’aquifère. 

C’est dans ce cadre qu’une série d’essais a été programmée afin de caractériser le milieu naturel où pourrait s’effectuer le stockage, et ensuite étudier l’effet des variations de température sur le milieu naturel en laboratoire.

Première étape : caractérisation du milieu naturel 

Une première campagne d’échantillonnage a été effectuée par le BRGM sur le site de Paris-Saclay le 22 avril 2021, plus précisément sur le puits GMOU1, de la ZAC du Moulon. Ce puits est actuellement utilisé comme puits producteur dans un procédé de géothermie. Le prélèvement d’eau a été effectué en sortie immédiate de puits, pour qu’il soit le plus représentatif possible de l’eau présente dans le sous-sol. Cette campagne avait pour objectif : 

• D’analyser de manière précise la composition chimique de l’eau, afin d’identifier les éléments dissous qui serviront comme traceur des processus géochimiques ayant lieu lors de changements de température. De plus, ces résultats pourront également être comparés aux précédentes études afin d’identifier de potentielles variations au cours du temps.

• D’identifier les principaux microorganismes procaryotes présents dans l’eau de l’Albien et qui sont entraînés par le flux d’eau. Pour cela, ces microorganismes ont été concentrés sur des filtres (ayant des diamètres de pore de 0.2 µm - cf. Figure 1) afin de récupérer suffisamment d’ADN microbien pour réaliser un séquençage haut-débit du gène codant l’ARNr 16S, marqueur universel de la taxonomie des procaryotes. 

• De prélever et stocker suffisamment d’eau naturelle pour pouvoir faire des essais en laboratoire. 

   

Figure 1 : Photo du matériel de prélèvement de l’eau de l’aquifère. La photo à gauche représente l’ensemble du matériel tandis que la photo à droite montre les filtres utilisés afin de concentrer les microorganismes. 

Les premiers résultats obtenus, ajoutés à ceux des précédentes études, permettent de dresser un premier état des lieux du milieu naturel, nécessaire pour mieux comprendre et interpréter les évolutions observées dans les essais menés en laboratoire. 

Deuxième étape : les tests en laboratoire

Les essais en laboratoire sur l’eau naturelle ont été lancés, afin d’étudier l’influence de la température sur la biogéochimie du système, en utilisant la plateforme BioREP du BRGM (cf. Figure 2).

Pour cela, des échantillons de roches provenant du même puits ont été placés dans des réacteurs pressurisés à 60 bars (pression exercée dans le milieu naturel). Un flux continu d’eau de l’aquifère a été injecté, de manière séquentielle, dans chacun des réacteurs, l’objectif : reproduire les potentielles conditions opératoires du futur procédé de stockage de chaleur inter-saisonnier. Pour commencer, les réacteurs ont été maintenus à 30°C (température de l’eau de l’aquifère) pendant une semaine. Par la suite, la température de l’un des réacteurs a été abaissée à 10°C (température minimale attendue dans l’aquifère), tandis que celle d’un autre réacteur a été augmentée à 50°C (température maximale attendue). Le troisième réacteur a, quant à lui, été maintenu à 30°C afin de servir de référence. Le suivi des processus biogéochimiques est réalisé : 

• de manière ponctuelle en analysant l’eau de sortie des réacteurs, 

• en caractérisant au début et à la fin de l’essai la composition de la roche, 

• en réalisant une extraction d’ADN microbien sur la roche et le filtre de sortie en fin d’essai. 

Ces essais sont arrivés à terme mi-septembre et les analyses sont en cours de réalisation. 

Figure 2 : Schéma résumant les essais réalisés sur la plateforme BioREP du BRGM. 

Quels sont les résultats attendus de ces essais en laboratoire ? 

Le suivi de l’évolution de la composition de l’eau et de la roche permettra de comprendre quels sont les processus géochimiques (principalement dissolution/précipitation de minéraux) qui prennent place en fonction de la température. De plus, la longue période d’essai et le filtre placé en sortie de chaque réacteur devrait permettre d’accumuler suffisamment de microorganismes pour la récupération des ADN microbiens et l’analyse de leur diversité par séquençage haut-débit. Une fois les processus biogéochimiques identifiés dans ces réacteurs, il sera possible de réaliser des extrapolations sur le milieu naturel et l’influence du futur procédé. 

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