Le stockage géologique de la chaleur

L'idée de stocker de la chaleur, ou du froid, dans le sol, remonte à des temps très anciens (ainsi, à Paris, le métro Glacière rappelle un site de stockage de froid, mais déjà les Perses utilisaient le principe).

Aujourd'hui la notion de stockage géologique de chaleur désigne une diversité de techniques réparties en deux grandes familles se différenciant par le mode de transport/échange de chaleur : par convection ou seulement par diffusion.

La géothermie moderne au rang d’énergie 100 % renouvelable.

Grâce au stockage, on abandonne l’exploitation de type "minier" de la ressource géothermale, vue comme un stock épuisable. Cette approche tend à équilibrer les énergies injectées et puisées suivant des cycles périodiques, c'est-à-dire qu'on va chercher à équilibrer les énergies échangées.

Le cycle d’échange thermique sera dit en "boucle fermée" pour les procédés qui font circuler, dans des tubes souterrains étanches, un fluide caloporteur dont la température d’entrée est différente de celle du sol afin d’échanger par diffusion de l’énergie avec ce dernier. Le volume souterrain exploité est situé à proximité directe des échangeurs et l’énergie y est alternativement injectée puis collectée.

Le cycle d’échange thermique sera dit en "boucle ouverte" pour les procédés qui puisent l’eau d’un aquifère pour la réinjecter plus loin, après avoir échangé de la chaleur. Actuellement, on peut considérer que les technologies en boucle ouverte sur aquifère sont matures mais que les conditions hydrogéologiques sont trop rarement favorables, du moins en France, pour que cette solution de stockage se développe aisément. On notera toutefois des aptitudes au stockage probablement plus favorables pour des aquifères profonds (vers 1 km de profondeur et au-delà), en particulier là où de la géothermie conventionnelle pour le chauffage en réseau de chaleur est déjà opérationnelle. Les puissances thermiques visées par du stockage périodique pourraient y dépasser 10 MW thermiques.

Conditions à réunir :

  • Une ressource thermique excédentaire (eau chaude solaire captée en été, chaleur fatale d'installations industrielles, ...)
  • Une demande d’énergie déphasée dans le temps par rapport à cette ressource (des besoins de chaleur en hiver, par exemple...), cette demande devant être pérenne pour justifier les investissements
  • Un contexte géologique et hydrogéologique favorable pour le stockage souterrain d’énergie.

A cela vient s’ajouter l’obligation d’une bonne intégration environnementale et économique, notamment une maîtrise durable des impacts avec le voisinage, incluant évidemment le maintien de l'intégrité des eaux potables souterraines.

Les stockages de type ATES (Aquifer Thermal Energy Storage)

Les dispositifs convectifs de type ATES comportent, théoriquement, au moins deux zones (l'une chaude et l'autre froide) entre lesquelles, au fil des cycles périodiques, un même fluide (l’eau de l’aquifère) circulera alternativement dans un sens puis dans l’autre en passant par les installations en surface où s’effectuent les échanges de chaleur.

De ce fait, un stockage de type ATES comporte deux stocks et on pourra distinguer trois types d’ATES selon les usages de ces stocks par les installations en surface : chaud exclusivement, froid exclusivement ou alternativement chaud et froid.

Les stockages diffusifs de type BTES (Borehole Thermal Energy Storage)

Un stockage diffusif se matérialise par l’exploitation d’un volume unique de roches souterraines. Au cours d’un cycle, généralement saisonnier, la température de ce volume va varier entre deux extrêmes induisant une sorte de "respiration" thermique du volume impacté par le dispositif de stockage.

Pour les stockages diffusifs de type BTES, les échangeurs enterrés en boucle fermée sont parcourus par un fluide caloporteur, généralement de l’eau glycolée (pour éviter tout risque de gel) ou de l’eau claire.

Lorsque la température du fluide caloporteur est différente de celle du sous-sol, il y a échange de chaleur.

Les stockages diffusifs dans les fondations et géostructures

Fondations géothermiques avant leur mise en place, Silex d'Auxerre © Ville d'Auxerre Les stockages exploitant des "géostructures échangeuses de chaleur" assurent prioritairement des fonctions géotechniques, généralement en tant que fondation d’un ouvrage, ce que l’exploitation thermique ne doit pas remettre en cause. En particulier, la température ne doit jamais approcher 0 °C pour éviter tout risque de gel qui pourrait déstructurer définitivement le sol.

Du fait de leur situation sous le bâti, la régénération thermique des fondations et géostructures énergétiques bénéficie très peu des mécanismes naturels : gradient géothermique et échanges climatiques. Par voie de conséquence, le système climatique doit assurer lui-même la régénération, ce qui revient à équilibrer les échanges thermiques sur un cycle annuel, entre demande de chaleur et demande de frais/froid. Dans la pratique, cela se traduit également par un maintien du niveau de température du sous-sol à une valeur qui oscille autour d’une valeur assez proche des conditions initiales.

Stockage ou recharge thermique ? Deux notions différentes !

  • Le stockage a pour objectif d’accumuler de l’énergie dans le sous sol sans autre contrainte que de gérer le besoin en énergie ou la disponibilité de la ressource excédentaire. Ces stockages se caractérisent par un niveau de température pouvant être très différent de la température initiale des terrains.
  • la régénération ou la recharge thermique aura pour particularité de gérer un relatif équilibre entre les énergies puisées et les énergies injectées dans le volume impacté par le dispositif souterrain, la température d’équilibre étant souvent peu différente de la température initiale du terrain.