Méthode optimisée de stockage de l'énergie thermique en aquifère

Domaine de l'invention

L'invention concerne le domaine du stockage de l'énergie thermique en aquifère, notamment en aquifère profond. On entendra par stockage de l'énergie thermique le stockage de froid ou de chaleur selon l'application envisagée.

Le stockage de chaleur à basse température (typiquement 70-100 ⁰ C) a pour principal objectif de stocker la chaleur en vue de la satisfaction des besoins des bâtiments en chauffage et en eau chaude sanitaire, en utilisant des sources d'énergie n'émettant pas de gaz à effet de serre (récupération de chaleur, pompes à chaleur, solaire). En effet la demande est nettement plus importante en saison froide, quelques mois par an, alors que les sources d'énergie non émettrices de gaz à effet de serre sont disponibles tout au long de l'année (ex. électricité, usines d'incinération d'ordures) voire à contretemps des besoins (énergie solaire). La possibilité de stocker de grandes quantités d'énergie thermique sur des durées de plusieurs mois est donc nécessaire à l' utilisation optimale de ces sources. De même, le fait de pouvoir stocker du froid de l'hiver sur l'été permet de contribuer à la climatisation des bâtiments.

Art antérieur

Le stockage de chaleur en aquifère s'apparente aux opérations de géothermie classiques, mais s'en distingue en ce que ces dernières entendent prélever l'énergie thermique du sous-sol à sa température naturelle, alors qu'en stockage on entend soutirer une énergie au plus équivalente à celle injectée dans le sous-sol, à une température généralement supérieure à la température

naturelle. La géothermie classique recourt souvent à des doublets de forage : l'un pour le soutirage, l'autre pour la réinjection, cette dernière étant nécessaire à la fois pour éviter de rejeter des eaux salées dans les cours d'eau en surface et pour maintenir la pression dans l'aquifère. Au bout d'un temps plus ou moins long (de l'ordre de 30 ans pour les projets géothermiques courants) le fluide froid réinjecté rejoint le puits de soutirage : cette percée cause une chute des températures et diminue rapidement l'intérêt de l'exploitation. Le principe général du stockage de chaleur en aquifère est bien connu et est exposé notamment dans les brevets FR 76 24070, FR 80 02937, FR 74 28393, US 4507925A et JP59170652 A2.

Pendant les années 1970, des doublets héliogéothermiques inspirés des doublets de forage utilisés en géothermie ont été proposés: injection en été de l'eau chaude produite par des capteurs solaires thermiques dans un aquifère, afin de récupérer la chaleur l'hiver. Plus récemment le stockage d'eau chaude et d'eau froide en aquifère a été employé pour assurer les besoins du Parlement allemand à Berlin (Reichstag) en chauffage l'hiver et en climatisation l'été, le froid ou la chaleur étant fournis par des pompes à chaleur. Le pourcentage de récupération de l'énergie thermique dans la partie chaude du stockage est supérieur à 70% (brevets DE 0329809 B, B. Sanner, F. Kabus, P. Seibt and J. Bartels, Underground thermal energy storage for the german Parliament in Berlin, System concept and operational expérience, Antalya, Turquie ou J. Poppei, P. Seibt and D. Fischer, Récent examples for the utilisation ofgeothermal aquifers for heat or cold storage or improvement of the réservoir conditions by heat injection (storage and combined production/storage projects in Germany), Antalya, Turquie, (2005)).

Plus récemment, à Neubrandenbourg (Allemagne) un doublet géothermique devenu peu rentable a été modifié pour le transformer en stockage de chaleur, l'eau chaude étant fournie par la récupération d'une centrale électrique fonctionnant en co génération [F. Kabus, F. Hoffmann and G. Mollmann, Aquifer storage of waste heat arising from a gas and stream cogeneration plant - concept andfirst operational expérience, Antalya, Turkey, (2005)].

Dans ces projets, les problèmes de colmatage liés à la précipitation de minéraux sous l'effet des variations de température doivent faire l'objet d'une attention particulière [brevets DE 0329809 B] et des procédures adaptées ont donc été proposées [G. Knoche, M. Koch and J. W. Metzger, New on-site test procédure for field investigations on groundwater in aquifer

thermal energy storage Systems with mobile test equipment, Stanford, California, USA, (2003)]. Ces procédures consistent à filtrer les eaux réinjectées et à suivre leur composition minéralogique pour déterminer le risque de colmatage. La lutte contre la corrosion se fait en mettant l'ensemble du forage sous pression d'azote [DE 0329809 B, B. Sanner, F. Kabus, P. Seibt and J. Bartels, Underground thermal energy storage for the germon Parliament in Berlin, System concept and operational expérience, Antalya, Turquie, (2005)] et en empêchant ainsi l'oxygène de venir au contact des matériaux.

Des perfectionnements divers ont été recherchés pour le stockage de chaleur (ou de froid) en aquifère. Ces derniers comprennent l'utilisation d'une troisième zone à une température intermédiaire entre celle du puits froid et la température maximale [EP 1462736A1], l'utilisation de parois étanches délimitant la zone du stockage [JP2000154985A, JP11337280A2], l'utilisation d'un aquifère artificiel [JP07063378A], l'utilisation d'aquifères à faible profondeur en tenant compte du relief topographique [JP59170652A2] et en évitant de forer des puits profonds [JP20001179276 A2]. L'application au chauffage et à la climatisation des serres d'horticulture du stockage de froid et de chaleur est également connue [FR2575633].

Certaines réalisations mettent en oeuvre des pieux géothermiques, ou fondations géothermiques. Dans certains cas ces projets visent à assurer à la fois la climatisation et le chauffage d'un bâtiment, comme à Neckarsulm où 500 puits de 30 m de profondeur ont été creusés. Dans d'autres cas comme dans le projet TESSAS à Mol [H. Hoes, M. Reuss and L. Staudacher, The TESSAS project in Mol : High température thermal energy storage in saturated sand loyers with vertical heat exchangers, Antalya, Turquie, (2005)], ce sont 144 puits qui ont été creusés pour stocker l'énergie thermique récupérée d'une centrale à gaz fonctionnant en cogénération. Cependant la lenteur des transferts thermiques conductifs et le risque de compromettre des aquifères d'eau potable à faible profondeur rendent ces projets moins attractifs.

Enfin, on mentionnera pour mémoire la géothermie, c'est à dire l'utilisation de la chaleur naturelle des aquifères profonds. La géothermie a fait l'objet de nombreuses réalisations en île de France depuis le début des années 1980 (entre autres). Des perfectionnements de ce type d'exploitation concernent des applications à grande profondeur et à haute température [DE4423702A1].

L'exploitation des aquifères profonds permet d'échapper aux inconvénients des réalisations à faible profondeur, qui ont peu de chances de se développer à grande échelle, car elles risqueraient de polluer les nappes assurant l'approvisionnement en eau potable.

Cependant les aquifères profonds, plus susceptibles d'applications à grande échelle, sont souvent peu perméables et nécessitent des forages profonds plus coûteux.

En outre, les caractéristiques d'un aquifère profond sont moins prévisibles, car la diagenèse vient ajouter ses aléas à ceux de la sédimentologie.

Il est donc important de développer des techniques adaptées pour maximiser l'efficacité des forages profonds pour le stockage de chaleur ou de froid et pour adapter les caractéristiques du dispositif d'exploitation en cas de surprise.

La présente invention propose une méthode améliorée d'exploitation des aquifères profonds comme stockage de chaleur ou de froid par l'utilisation des forages horizontaux, similaires à ceux connus dans l'industrie pétrolière, et de techniques adaptées pour maximiser leur efficacité en fonction des caractéristiques desdits aquifères profonds. On entend par forage horizontal un forage dans lequel le drain comprend au moins une partie sensiblement horizontale.

Description de l'invention

Résumé de l'invention

L'invention concerne une méthode optimisée de stockage d'énergie thermique par exploitation d'un aquifère profond dans laquelle on met en oeuvre au moins un forage horizontal dans l'aquifère sous forme de doublet constitué d'un puits chaud et d'un puits froid dont la partie horizontale est située dans l'aquifère, on simule l'évolution du stockage avant l'exploitation et/ou en cours d'exploitation et on dimensionne les paramètres de forage en fonction des caractéristiques géologiques, hydrauliques et/ou thermiques de l'aquifère connues ou simulées.

Dans la méthode selon l'invention, on effectue avantageusement un test de propagation de l'anomalie thermique au moyen du forage horizontal comprenant les étapes suivantes: on injecte ponctuellement de l'eau à une température différente de l'aquifère au moyen d'une zone crépinée réduite et d'un bouchon disposés sur le forage du doublet.

on enregistre, pendant toute la durée du test d'injection, l'évolution des températures de l'aquifère de part et d'autre de la zone d'injection par une ou plusieurs sondes disposées le long de la partie du forage en contact avec l'aquifère, on valide et/ou ajuste les paramètres du modèle d'écoulement utilisé pour simuler et planifier l'évolution du stockage et on redimensionne s'il y a lieu les paramètres des forages du doublet.

Dans un mode de réalisation de la méthode selon l'invention, on rallonge la partie horizontale d'au moins un forage du doublet pour augmenter la distance entre les zones crépinées et éliminer le risque d'interférence thermique entre le puits chaud et le puits froid, avant le début de l'exploitation ou lors de l'exploitation du stockage. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on rallonge la partie horizontale d'au moins un forage du doublet pour augmenter la longueur des zones crépinées pour augmenter les débits à puissance de pompage constante, avant le début de l'exploitation ou en cours d'exploitation.

Dans la méthode selon l'invention, il est possible de maximiser les débits en utilisant la technique de fracturation hydraulique ou thermique.

De préférence, dans la méthode selon l'invention, on met en oeuvre un schéma d'aménagement de l'aquifère à grande échelle prévoyant le forage horizontal de l'aquifère en plusieurs points, réalisé sous forme de doublets de puits disposés parallèlement le long d'une dimension L de l'aquifère pour former un train de doublets, chaque train de doublets étant ensuite disposé le long de l'autre dimension de manière à suivre une géométrie de doubles rangées de zones chaudes contiguës alternant avec des doubles rangées de zones froides contiguës afin de minimiser le gradient de température entre des zones contiguës.

Dans le cas où l'aquifère est anisotrope, il peut être avantageux de disposer le ou les doublets perpendiculairement à la direction de plus grande perméabilité.

La méthode selon l'invention s'applique de préférence à la climatisation et/ou au chauffage des bâtiments, serres d'horticulture et installations sportives ou de loisirs.

Description détaillée de l'invention

Les figures 1 à 8 représentent des modes de réalisation non limitatifs de l'invention et sont présentées à but illustratif.

Les figures 1 et 2 représentent une vue en coupe d'un aquifère profond dans lequel sont forées des zones de stockage de froid ou de chaleur selon la méthode de l'invention. La figure 3 présente une vue en plan d'un aquifère comprenant un doublet de forages selon la méthode de la présente invention.

La figure 4 représente une vue en coupe d'une installation de test de propagation de l'anomalie thermique au moyen d'un forage horizontal.

Les figures 5, 6 et 7 représentent une vue en coupe d'un aquifère profond auquel on applique la méthode d'exploitation par forage horizontal selon l'invention.

La figure 8 représente une vue en plan d'un schéma d'aménagement d'un aquifère au moyen de trains de doublets horizontaux.

Le forage horizontal (Figure 1) est réalisé sous forme de doublet constitué d'un puits chaud (1) et d'un puits froid (2) dont la partie horizontale est située dans l'aquifère (3) . Par forage horizontal, on entend un forage effectué par la méthode Rotary, avec un train de tiges conventionnel, auquel on donne une forme coudée en profondeur pour que sa partie profonde soit située dans l'horizon aquifère visé. Cette disposition permet d'augmenter la longueur des drains crépines (4) en regard de la roche perméable, et donc d'augmenter les débits à l'injection et au soutirage par rapport à un puits classique pour une même pression. Les moyens référencés (5) comprennent des échangeurs thermiques entre les forages et la source de chaleur (6) et les utilisations (7). Des pompes permettent les circulations des fluides : de la source, des utilisations, des doublets. Le système comprend également des vannes de distribution ou de régulation. Le forage horizontal est du domaine connu dans l'industrie pétrolière.

Les forages horizontaux (1 et 2 sur les figures 1 et 2) pointant vers des directions opposées pour éloigner la zone réchauffée de l'aquifère (8) de la zone refroidie (9), réduisent ainsi le risque de prélever de l'eau refroidie au puits 1 en période de soutirage.

Si le réservoir présente une anisotropie connue de perméabilité à l'échelle régionale pour des raisons d'ordre sédimentologique ou tectonique, on propose (Figure 3) de disposer le doublet de forages horizontaux (1 et 2) perpendiculairement à la direction (10) de plus grande perméabilité. Selon la loi de Darcy, on peut en effet en attendre une extension plus importante des zones réchauffées (8) et refroidies (9) de l'aquifère dans la direction perpendiculaire à l'orientation du doublet. Cela permet de drainer un plus grand volume d'aquifère, et donc d'augmenter la quantité de chaleur stockée, sans pour autant augmenter le risque d'interférence thermique entre les puits froid et chaud.

La figure 4 représente une installation de test de propagation de l'anomalie thermique au moyen d'un forage horizontal permettant la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention. Comme indiqué sur la figure 4, cette méthode consiste à injecter ponctuellement de l'eau à une température différente de l'aquifère (soit plus froide, soit plus chaude) au moyen d'une zone crépinée réduite (11) et d'un bouchon (12) disposés dans le forage (1) du doublet. On enregistre, pendant toute la durée du test d'injection, l'évolution des températures de l'aquifère de part et d'autre de la zone d'injection par une ou plusieurs sondes (13) disposés le long de la partie du forage en contact avec l'aquifère (3), lesdites sondes étant de préférence thermiquement isolées par rapport au forage afin de représenter fidèlement la température de la formation. Ce test permet en particulier de bien valider et/ou ajuster les paramètres du modèle d'écoulement utilisé pour simuler et planifier l'évolution du stockage et de redimensionner s'il y a lieu les paramètres des forages (1) et (2) du doublet des figures 1 et 2. Il permet en particulier de déceler les cas où la zone perturbée du point de vue thermique s'étend rapidement, ce qui est important car il existe alors un risque d'interférence thermique entre la zone refroidie 9 et la zone réchauffée 8 lors de l'exploitation.

Les figures 5 et 6 illustrent l'amélioration des caractéristiques thermiques d'un doublet en cours de réalisation dans la méthode selon l'invention. On considère le cas (Figure 5) où le test d'anomalie thermique combiné à une simulation de l'aquifère, laisse craindre une extension latérale trop importante de la zone refroidie 9 et/ou de la zone réchauffée 8, d'où une interférence thermique réduisant les performances. On propose alors de rallonger un forage du doublet (ou les deux) pour augmenter la longueur des puits. De la sorte, on propose (Figure 6) d'augmenter la distance entre les zones crépinées 14 et 15, et donc d'éloigner la zone réchauffée 16 de la zone refroidie 17, éliminant ainsi le risque d'interférence thermique. Cette méthode peut bien entendu s'appliquer à un doublet existant pour lequel l'interférence

thermique ente le puits chaud et le puits froid aurait été constatée lors de l'exploitation du stockage.

Les figures 1 et 7 illustrent l'amélioration des caractéristiques hydrauliques d'un doublet en cours de réalisation. On considère un cas tel que celui de la figure 1 où les simulations laisseraient prévoir des débits insuffisants avec la puissance de pompage envisageable. On propose alors de rallonger un forage du doublet (ou les deux) pour augmenter la longueur des zones crépinées 18 et 19 (Figure 7), d'où une augmentation des débits à puissance de pompage constante. Cette méthode peut bien entendu s'appliquer à un doublet de forages horizontaux en exploitation dont on souhaite augmenter le débit, et elle représente alors des économies importantes de temps et d'emprise au sol par rapport à de nouveaux forages.

La figure 8 représente une vue en plan d'un aquifère donné aménagé à l'échelle régionale. La figure 8 illustre un mode de réalisation d'un schéma d'aménagement d'un ensemble de doublets 1 et 2 de manière à maximiser l'utilisation d'un aquifère donné à l'échelle régionale tout en réduisant les risques d'interférences thermiques entre puits chauds 9 et puits froids 8 (rangées de puits "chauds" alternant avec des rangées de puits "froids"). Le schéma d'aménagement de l'aquifère à l'échelle régionale prévoit le forage horizontal de l'aquifère en plusieurs points, réalisé sous forme de doublets constitué d'un puits chaud (1) et d'un puits froid (2) dont la partie horizontale est située dans l'aquifère (3) . Les doublets de puits sont disposés parallèlement le long d'une dimension L de l'aquifère pour former un train de doublets, chaque train de doublets étant ensuite disposé le long de l'autre dimension de manière à suivre une géométrie de doubles rangées de zones chaudes contiguës (9) alternant avec des doubles rangées de zones froides contiguës (8). Cette disposition permet d'optimiser l'exploitation d'un aquifère donné comme stockage de chaleur ou de froid, en minimisant le gradient de température entre des zones contiguës et en diminuant ainsi les risques d'interférences thermiques.

Il est également possible d'optimiser le stockage de chaleur en aquifère en utilisant dans la méthode selon l'invention des techniques telles que la fracturation hydraulique ou thermique.

Dans la technique de fracturation hydraulique, on impose une pression d'injection élevée pour fracturer la roche réservoir, et on injecte un agent de soutènement pour maintenir la fracture ouverte pour augmenter les débits dans un stockage de chaleur en aquifère.

Dans la technique de fracturation thermique, on injecte un fluide plus froid que la température naturelle de l'aquifère de manière à engendrer des contraintes internes dans la roche réservoir qui amènent à sa fracturation pour augmenter les débits dans un stockage de chaleur.

Les modes de réalisation décrits ci-dessus s'appliquent également à d'autres besoins de chauffage que ceux des bâtiments, tels que le chauffage de serres d'horticulture ou d'installations de sport ou de loisirs, comme les piscines par exemple.

La méthode selon l'invention n'est pas limitée au stockage de chaleur, mais s'applique également si l'on souhaite procéder à un stockage de froid, pour les besoins de la climatisation des bâtiments par exemple.

Selon l'application envisagée (stockage de froid ou de chaleur), les zones de soutirage sont les zones froides et les zones d'injection sont les zones chaudes et inversement.