Echangeur sur aquifère, technologie et fonctionnement

Les nappes superficielles possèdent une température, constante sur l'année, entre 12 et 15 °C.

La géothermie sur aquifère consiste à pomper l’eau d’une nappe souterraine par l’intermédiaire d’un ou de plusieurs forages pour l’acheminer (via un échangeur) jusqu’à la pompe à chaleur afin d’en prélever les calories, avant de la réinjecter dans l’aquifère par l’intermédiaire d’un second ou de plusieurs forages. Le même principe est appliqué en sens inverse pour le rafraîchissement.

Vue d'une représentation 3D des 15 aquifères du modèle Nord-Aquitain (MONA) (2011) © BRGM

Dispositifs d'exploitation

Plusieurs dispositifs permettent l’exploitation thermique des eaux d’un aquifère mais certains sont soumis à autorisation.

Le puits unique sous conditions strictes

L’eau de la nappe, prélevée à sa température naturelle, est rejetée dans un réseau de surface (rivière, plan d’eau, réseau pluvial) après extraction de ses calories ou frigories.

Ce type d’exploitation est utilisé dans des cas très particuliers où le dispositif classique présente par exemple des difficultés de rejet. Il est utilisé lorsque la salinité du réservoir ne dépasse pas 2,5 g/l. Une exploitation intense n’est possible que si une réalimentation naturelle vient restituer les volumes d’eau exploités.

Plus économique qu’une solution avec réinjection de l’eau, ce type de prélèvement est cependant plus impactant pour l’équilibre hydraulique de la ressource. La gestion actuelle des ressources en eaux souterraines et superficielles tend à limiter les rejets en surface : l’usage du puits unique est de ce fait soumis à autorisation.

Doublet de forage pour le chauffage ou le rafraîchissement, la solution type

L’eau de la nappe prélevée à sa température naturelle par un forage dit « producteur » est réinjectée par un second forage dit « injecteur », après exploitation de ses propriétés thermiques. C’est le dispositif obligatoire dans les conditions normales de ressources.

La réinjection de l’eau refroidie (ou réchauffée) implique la formation, dans l’aquifère, d’un front thermique (froid ou chaud) qui participe au refroidissement (ou au réchauffement) du fluide exploité et peut parvenir au puits de production, à l’issue d’un temps de fonctionnement (temps ou date de percée) plus ou moins long. C’est pourquoi le dimensionnement du doublet doit tenir compte de son impact hydraulique et thermique. Celui-ci peut être évalué grâce à l’utilisation d’outils de modélisation permettant de simuler le fonctionnement d’un doublet.

La réalisation d’un doublet n’est donc possible qu’en l’absence de recyclage important des eaux réinjectées jusqu’au puits de production :

  • soit parce que les deux ouvrages sont suffisamment éloignés pour que le recyclage ne se produise qu’une fois l’installation rentabilisée ;
  • soit parce que l’écoulement régional est assez puissant (vitesse d’écoulement de l’ordre de plusieurs mètres par an) pour entraîner par advection les eaux froides (ou chaudes) réinjectées, hors de portée du puits de production. C’est souvent le cas des nappes d’accompagnement des cours d’eau.

Exemple de dispositif du doublet géothermique (d’après J.-P. Sauty et J.-Y. Ausseur, 1982)  © ADEME-BRGM

Equipements du forage sur aquifère

Eléments d'un forage sur aquifère  © ADEME-BRGM

La colonne captante

La colonne captante d’un forage est constituée par des tubes plein, des tubes crépinés, un bouchon de fond, des centreurs et un massif de gravier surmonté d’une cimentation. Le diamètre du tubage doit être adapté au besoin de l’exploitation (diamètre des pompes). Sa qualité (PVC, inox, acier) est essentielle pour la durée de vie de l’ouvrage.
À noter, dans le cas d’utilisation d’inox, l’inox 316L présente une meilleure résistance à la corrosion pour un faible surcoût.

  • Les crépines

Ce sont des tubes perforés placés à la suite du tubage plein pour capter l’eau de l’aquifère.
Elles doivent être placées en face d’un seul aquifère ; leur qualité peut être la même que celle du tubage.
En ce qui concerne la crépine à fils enroulés en INOX 316L, elle garantit un taux d’ouverture optimisé, ce qui permet de diminuer les pertes de charges.

  • Centreurs

Les centreurs évitent que la colonne captante « flambe » et que le tubage se colle à la paroi du forage.

  • Massif de gravier

Constitué de graviers de silice (peu altérable) calibrés, lavés, désinfectés, il joue un rôle de filtre et améliore les conditions hydrodynamiques aux alentours immédiats de la zone de captage. Il joue également un rôle de soutènement des parois du forage et en améliore ainsi la longévité.

  • Cimentation

La cimentation protège l’aquifère de possibles infiltrations depuis la surface et isole les aquifères non captés des aquifères captés, évitant d’éventuelles contaminations inter-aquifère. Elle maintient les parois du forage et permet le colmatage des pertes. Elle ancre la colonne de tubages et limite sa corrosion.
La cimentation doit atteindre le niveau statique de la nappe ou le niveau imperméable intercalaire dans le cas d’une nappe captive.
Sa qualité doit permettre de résister à différents types d’agression (chimique, mécanique).

Pompe de forage

La pompe de forage ou pompe immergée doit être dimensionnée de façon à prendre en compte le débit à pomper, la hauteur de la colonne d’eau, la perte de charge du réseau et de l’échangeur.
Elle doit être impérativement équipée d’un variateur de vitesse pour éviter les coûts de bélier au démarrage et pour limiter la consommation d’électricité. Elle doit également être asservie au fonctionnement de la pompe à chaleur.
S’il y a plusieurs pompes, celles-ci doivent fonctionner en cascade, en fonction de la demande, de façon alternée tous les mois.
Bien que non obligatoire, il est recommandé de poser un compteur électrique sur chacune des pompes afin de connaître leur consommation.

Tête de forage

La tête de forage et son équipement assurent une protection de l’ouvrage et de l’aquifère contre des infiltrations de surface et d’éventuels actes de vandalisme. Ils permettent également de contenir l’artésianisme.

L'obtention du débit

Pompes de production © ADEME-BRGMUne installation géothermique opérationnelle nécessite un débit d'eau aussi régulier que suffisant. Si la pression dans le réservoir souterrain est supérieure à la pression atmosphérique, l'eau peut jaillir naturellement à la tête du puits de forage qui se suffit alors à lui-même, prenant le nom de puits artésien. Mais si cette pression n'est pas assez importante ou si l'eau ne remonte pas du tout, il devient nécessaire d'avoir recours à un dispositif de pompage. Quel que soit leur type, toutes les pompes mises en œuvre comportent une partie hydraulique immergée descendue en profondeur (- 100 mètres à - 400 mètres) et un moteur. Ce dernier peut être immergé sous le dispositif hydraulique (pompes immergées) ou placé en surface (pompes à arbre long). Il peut enfin, dans certains cas, fonctionner grâce à une circulation d'eau géothermale surpressée en surface : c'est le principe de la turbo-pompe. Bien que son rendement énergétique soit inférieur aux deux autres, une turbo-pompe a une durée de vie supérieure aux pompes immergées. Pour les sites où l'eau est renvoyée dans le réservoir (doublet), une pompe de réinjection installée en surface s'avère indispensable.

Les pompes immergées sont largement utilisées dans le Bassin parisien pour pomper la nappe du Dogger. Elles permettent d'obtenir des débits importants supérieurs à 300 m3/h. Les pompes à arbre long (140 mètres maximun) sont surtout employées en Islande. Les turbo-pompes sont réputées pour leur longue vie malgré leur faible rendement énergétique.
Pour la réinjection, on utilise des pompes de surface de type classique.

Ces dispositifs avec pompage sont surtout employés pour les exploitations de basse énergie.

Tête de puits, centrale électrique de Bouillante, Guadeloupe © BRGMDans les exploitations de haute énergie, l’eau se vaporise dans le forage, et un mélange eau - vapeur jaillit en surface. Il arrive même – comme à Larderello en Italie ou aux Geysers en Californie – que le gisement produise naturellement de la vapeur sèche.
L’exploitant doit alors réguler la pression en tête de puits pour optimiser les conditions d’exploitation en fonction des caractéristiques du fluide ou de la centrale. Un séparateur en surface permet de séparer la vapeur sèche de l'eau.

 

Des "bons" et des "mauvais" aquifères ?

Suivant ces caractéristiques, un aquifère peut être ou non considéré comme exploitable:

La profondeur de la cible permet de distinguer la profondeur de la nappe (surface piézométrique), mesurée depuis la surface topographique (terrain naturel), de la profondeur du toit de l’aquifère lui-même, déterminée par sa géométrie. Lorsque la nappe captive est sous pression, la profondeur de la nappe correspond au niveau statique atteint après forage (la profondeur de la nappe est, dans ce cas, inférieure à celle du toit de l’aquifère). Le critère de la profondeur de la cible est déterminant car il impacte le choix du matériel et le coût (profondeur à forer).

L’épaisseur, par exemple, de 1 à 10 mètres, de la zone saturée. Il s'agit de l'épaisseur mouillée de la formation aquifère ou la hauteur moyenne de la zone noyée située sous la surface piézométrique de l’aquifère.

Le débit potentiel, par exemple, de 2 à 10 m3/h. La plage de débit proposée est indicative. Une étude de faisabilité préalable à la réalisation de l’opération reste toujours nécessaire. Les débits potentiels ont été estimés à partir des valeurs de transmissivité, transformées en débits spécifiques.

La minéralisation:

  • fortement minéralisé : dureté > 32 °f ;
  • moyennement à fortement minéralisé : dureté comprise entre 22–32 °f ;
  • moyennement minéralisé : dureté < 22 °f.

Le saviez-vous ? La géothermie sur eau de mer

Comme le sous-sol, les mers et les océans peuvent être exploités en tant que réservoirs d’énergie renouvelable non intermittente. La valorisation thermique de cette énergie appelée aussi thalassothermie peut se faire directement ou en ayant recours à un système thermodynamique comme la pompe à chaleur. Celle-ci puise sa source chaude ou froide dans l’eau de mer, récupérant ainsi son énergie calorifique afin d’alimenter un ou plusieurs bâtiments voire un réseau de chaleur et/ou de froid jusqu’à l’utilisateur final dans un rayon de plusieurs kilomètres.

Adaptées aux zones littorales à forte densité, les opérations de pompe à chaleur sur eau de mer se sont bien développées en France métropolitaine. En particulier en Méditerranée, la technologie mise en œuvre pour le captage de l’eau de mer est favorisée par la température élevée de l’eau, l’absence de marée et une bathymétrie favorable, mais elle peut être également envisagée dans les zones côtières plus au Nord.

Dans les départements, régions et collectivités d'Outre-Mer situées en zones tropicales, l’eau de mer peut être pompée à plusieurs centaines de mètres de profondeur et être exploitée en usage direct via un échangeur en titane pour des besoins de froid. On parle dans ce cas de procédé SWAC (Sea Water Air Conditioning).