ÉTUDE DES POSSIBILITES DE STOCKAGE D'EAU CHAUDE EN AQUIFÈRE PROFOND

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1 BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL Départements Géothermie - Hydrogéologie BP Orléans Cedex Tél.: (38) ÉTUDE DES POSSIBILITES DE STOCKAGE D'EAU CHAUDE EN AQUIFÈRE PROFOND par H. FABRIS - A.C. GRINGARTEN* - P.A. LANDEL* - A. MENJOZ - J.P. SAUTY * Actuellement à FLOPETROL Compte-rendu de fin d'étude d'une recherche financée par la Délégation générale à la recherche scientifique et technique Action sur programme du Comité Scientifique Thermique et Thermodynamique Décision d'aide n SGN 695 GTH Novembre 979 Réalisation : Département des Arts Graphiques

2 RESUME SIGNALETIQUE Le comportement thermodynamique d'un stockage cyclique d'eau chaude dans une couche géologique aquifere profonde a été étudié systématiquement dans l'hypothèse d'une exploitation monophasique par puits unique. A l'aide de simulations sur modèles mathématiques dont la précision a été contrôlée, on a examiné le rôle des différents phénomènes physiques. Des abaques universels en variables réduites ont été établis, pour une gamme des paramètres physiques et d'exploitation couvrant le champ des applications pratiques. Un stockage expérimental comprenant les cycles symétriques de 2 jours a été réalisé sur le site de Bonnaud (Jura). L'évolution des températures observées à la production a permis de vérifier la validité des hypothèses et des résultats de l'étude théorique.

3 TABLE DES MATIERES Résumé signalétique Table des matières. INTRODUCTION 2. CONDUITE DE LA RECHERCHE 2.. Etude théorique 2.2. Etude expérimentale 2.3. Confrontation des études théorique et expérimentale 3. CONCLUSIONS 4. ETUDES ULTERIEURES 4.. Etude réalisée pour le Plan Construction 4.2. Etudes ultérieures à envisager RAPPORTS TECHNIQUES FOURNIS EN ANNEXE Etude des possibilités de stockage d'eau chaude en aquifère profond - Rapport de fin d'étude par A.C. GRINGARTEN, P.A. LANDEL, A. MENJOZ, J.P. SAUTY - Rapport 79 SGN 326 GTH Etude des possibilités de stockage d'eau chaude en aquifère profond - Description des expériences de stockage thermique réalisées en 977 sur le site de Bonnaud (Jura) par H. FABRIS - Rapport 78 SGN 74 GTH Simulation des transferts thermiques dans les aquifères - Conditions de validité des solutions analytiques par M.L. NOYER - Rapport 77 SGN 598 GTH

4 - INTRODUCTION Le stockage d'eau chaude dans une couche géologique aquifère permet de conserver l'énergie produite aux moments de faible consommation jusqu'aux périodes de pointe de la demande, tout en ne requiérant qu'un faible encombrement au sol malgré les quantités importantes d'eau chaude mises en jeu. Le recours aux aquifères profonds présente un double intérêt : - les mouvements naturels des nappes y sont généralement très lents, - la température ambiante étant plus élevée que dans les réservoirs proches de la surface, les pertes thermiques par conduction sont minimisées. L'étude de la rentabilité d'un tel système passe par la connaissance de son fonctionnement thermodynamique qui fixe la quantité de chaleur susceptible d'être récupérée, après stockage ainsi que le niveau énergétique du fluide extrait en phase de production. C'est pourquoi la Délégation Générale à la Recherche Scientifique et Technique, Comité Scientifique, a confié au B.R.G.M. "L'Etude des possibilités de stockage d'eau chaude en aquifère profond" dans le cadre d'une Action sur programme (décision d'aide h ).. ;. La première partie de cette.-action a consisté en l'étude théorique systématique du comportement thermique d'un tel système ; les résultats de cette étude théorique font l'objet du Rapport 79 SGN 326 GTH en annexe. A l'aide de simulations sur modèles mathématiques, on y a examiné tu d fátn.e.n pklnomín&ó pky que susceptibles d'influencer le fonctionnement d'un stockage réalisé à partir d'un puits unique que l'on utilise successivement pour l'injection puis la production d'eau chaude dans un aquifère à écoulement régional négligeable. Ce type de stockage présente des-particularités dues à l'introduction de la chaleur par l'intermédiaire de transferts de masse par convection forcée (surcharge ou dépression imposées dans le puits), avec un rôle important de la dispersion cinématique. Le comportement thermique du réservoir a été cont/cozí par l'interprétation de p a6 eu* ixpvum&nùltlon&, notamment celles réalisées sur le site de Bonnaud (Jura), au cours de la seconde phase de la présente action concertée (rapport B.R.G.M. n 78 SGN 74 GTH) et au cours de l'étude antérieure : Etude expérimentale d'un doublet hydrothermique (Action Complémentaire Coordonnée Géothermie, Décision d'aide n , rapport B.R.G.M. n 78 SGN 399 GTH). L'interprétation détaillée de l'ensemble de ces mesures a été menée à bien au cours de l'étude : "Modélisation du fonctionnement d'un doublet hydrothermique sur le site de Bonnaud" (Action sur programme du Comité Scientifique Géothermie, décision d'aide n , rapport B.R.G.M. n 73 SGN 063 GTH).

5 2 - CONDUITE DE LA RECHERCHE 2. - ETUDE THEORIQUE Après établissement des équations aux dérivées partielles, des paramètres adimensionnels ont été mis en évidence de façon à garantir la généralité des résultats obtenus tout en réduisant le nombre de paramètres en jeu. Des modèles mathématiques ont été adaptés et leur précision vérifiée par rapport à des formules analytiques donnant la solution exacte à la première phase de fonctionnement du stockage : injection d'eau chaude. Le calcul de ces solutions a dû être vérifié, complété, et des abaques généraux ont été ' tracés (rapport B.R.G.M. n 77 SGN 598 GTH) au cours d'une étude préliminaire réalisée partiellement dans le cadre de la présente recherche. Ces solutions inutilisables directement pou? étudier le stockage, puisque ne fonctionnant pas pour simuler la phase de production, sont néanmoins extrêmement précieuses puisqu'elles permettent de contrôler les calculs numériques par voie discrète ; en effet ces calculs sont les mêmes quelque soit le signe du débit au puits central (pompage ou injection). Pour plusieurs valeurs des paramètres caractérisent les différentes pertes thermiques, et couvrant le domaine des applications possibles (,0 et 00),des abaques ont été tracés permettant de prévoir l'évolution des températures au puits de production dans un cas réel. Cette étude a d'abord été réalisée pour des cycles symétriques (volumes et débits égaux à l'injection et à la récupération) sans période d'arrêt. On a ensuite examiné l'effet de différentes modifications de ces cycles : stockage initial prolongé, périodes de repos entre l'injection et la récupération, volume récupéré inférieur au volume injecté, ou au contraire supérieur. L'étape suivante a consisté en l'étude de l'efficacité thermique du stockage en fonction, bien sûr des différents paramètres physiques, mais aussi des températures de référence de la source froide à laquelle on peut avoir recours en surface ETUDE EXPERIhŒNTALE L'étude expérimentale a consisté en la réalisation d'un stockage périodique sur le site de Bonnaud (Jura) : enchaînement de quatre cycles successifs de 2 jours (6 jours d'injection ; 6 jours de pompage), avec mesure des logs thermiques sur le forage central et une dizaine de forages d'observation, ainsi que des enregistrements des températures dans l'éponte supérieure(rapport 78 SGN 74 GTH en annexe) CONFRONTATION DES ETUDES THEORIQUE ET EXPERIMENTALE Enfin, les résultats théoriques ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus en seconde phase de cette Action Concertée ; détermination des nombres adimensionnels et comparaison des historiques de température observés aux courbes des abaques ( chapitre 6 du rapport 79 SGN 326 GTH).

6 3. - CONCLUSIONS Le comportement thermodynamique d'un stockage cyclique d'eau chaude dans une couche géologique aquifere profonde a été étudié systématiquement dans l'hypothèse d'une exploitation monophasique par puits unique. Le but de cette étude a été de donner les éléments relatifs au stockage proprement dit pour l'évaluation de la quantité de chaleur susceptible d'être récupéréeainsi que du niveau énergétique du fluide à la production dans toute une gamme de conditions de stockage envisageables. Le résultat synthétique principal est l'efficacité thermique du stockage (rapport entre les quantités de chaleur récupérée-et injectée). Celle"-ci dépendent d'une température de référence, cette température a été prise égale-.à la température initiale de la nappe : on a ainsi défini l'efficacité thermique de référence. Si l'on dispose en surface d'une source froide de température inférieure à celle de la nappe dans son état naturel, l'efficacité effective du stockage proprement dit sera supérieure à l'efficacité de référence (notamment pour des stockages en aquifere profond) et aisée à calculer à partir de celle-ci. Il a été montré que l'efficacité croît progressivement au cours des cycles successifs qui ne se stabilisent que fort lentement. Il a été possible de dresser des abaques universels en variables réduites où les différents modes d'échange thermique sont caractérisés par deux paramètres adimensionnels : Pe, nombre de Péclet, caractérisant les pertes au front (conduction thermique et dispersion cinématique), et A pour les pertes aux épontes (conduction thermique). Les différentes courbes ont été tracées pour une gamme de ces paramètres (,0 et 00) couvrant le champ des applications possibles. Il a été montré que lorsque les conditions Pe > 0 et A > 0 sont simultanément vérifiées {pertes thermiques suffisamment faibles), l'efficacité thermique d'un cycle stabilisé est supérieure ou égale à 75%. Il convient donc, lors de l'établissement d'un projet de réalisation, de vérifier les ordres de grandeur de ces deux paramètres. On sera éventuellement conduit à modifier certaines caractéristiques de l'exploitation : par exemple volume injecté et débit d'injection, si le choix du réservoir (avec notamment ses caractéristiques thermiques et son épaisseur) est imposé, de telle sorte que les conditions sur les paramètres de référence soient satisfaites. Il est possible d'atteindre rapidement un fonctionnement proche du régime stabilisé, donc de travailler dans les conditions nominales dès les tous premiers cycles, en procédant initialement à une phase d'injection d'eau chaude prolongée (par exemple, double de celle du cycle normal). On a également étudié l'influence de phases d'attente intercalées entre les phases d'injection et de production. Il a été montré que pour une période d'attente de l'ordre de /3 de la durée d'injection, à volume injecté égal, l'efficacité thermique variait fort peu. Par contre, il est clair qu'une longue période d'attente précédant la récupération de l'eau chaude (par exemple : mois d'injection ~ 5 mois d'attente - mois de production - 5 mois d'attente), conduirait à des conséquences catastrophiques pour les quantités de chaleur récupérées.

7 Il est possible d'accroître la quantité de chaleur récupérée en repompant un volume.supérieur à celui qui a été injecté, mais au détriment du niveau énergétique à la production, et ce, dès le début des phases de récupération, car le réchauffement du milieu environnant (périphérie de l'aquifère, et épontes) est diminué. Inversement on peut accroître la température de l'eau à la sortie du stockage en ne produisant qu'une portion du volume injecté, avec, bien entendu, la perte de rendement concomitíante. Enfin, les expérimentations de stockage ayclique réalisées sur le site de Bonnaud (Jura), ont oonforté les résultats théoriques du présent rapport. Ils ont permis -non pas de vérifier la justesse des calculs numériques prouvée antérieurement par comparaison à des solutions analytiques-, mais de mettre en évidence le bon choix des hypothèses physiques qui a conduit à l'établissement des équations de base. En conclusion, pour préparer un avant-projet de stockage par puits unique en aquifère profond, dans des conditions monophasiques, on pourra déterminer approximativement le fonctionnement thermique par utilisation des abaques du présent rapport. Lorsque les conditions d'exploitation et éventuellement les paramètres physiques du réservoir auront été précisés avec notamment la configuration exacte des cycles envisagés (où les débits seront éventuellement variables dans le temps), il sera souhaitable de procéder à une simulation plus fidèle du fonctionnement réel : en prenant en compte les différentes particularités du projet et en poussant la simulation sur un plus grand nombre de cycles.

8 4 - ETUDES ULTERIEURES 4.. ETUDE REALISEE POUR LE PLAN CONSTRUCTION : STOCKAGE LONGUE DUREE DE CALORIES A BASSE TEMPERATURE EN NAPPE PHREATIQUE POUR L'HABITAT Le Ministère de l'equipement, Plan Construction, a accordé son assistance financière au B.R.G.M. par la Convention n pour : l'utilisation des calories à basse température des nappes superficielles et stockage longue durée en nappes phréatiques pour l'habitat. Cette étude a compris deux phases : Phase : Exploitation de doublets en nappe phréatique pour la réalisation de stockage alterné de calories et de frigories pour le chauffage et la climatisation, soit en utilisant un puits d'injection et un puits de production avec envoi successif d'ondes chaudes et froides, soit en inversant le rôle hydraulique des puits : un puits chaud (injection l'été, production l'hiver) et un puits froid (production l'été, injection l'hiver). Phase 2 : Etude d'un stockage par puits unique en nappe superficielle avec examen particulier des problèmes propres à de telles nappes : écoulement naturel qui risque de faire dériver la bulle chaude, et éponte supérieure de faible épaisseur ; étude des débits et durées d'exploitation en fonction des caractéristiques du réservoir, de façon à couvrir une gamme étendue d'utilisateurs (travaux complémentaires de la présente étude, orientés vers les stockages peu profonds) ETUDES ULTERIEURES A ENVISAGER H.2.. Il a été montré, par étude théorique confirmée par expérimentation à petite échelle, qu'il est possible de réaliser des stockages d'eaux chaudes avec une efficacité relativement élevée (60%,80%). Il est donc souhaitable de passer à la réalisation en vraie grandeur avec suivi des divers paramètres de fonctionnement (débit et température) Le stockage par balayage vertical dans un cylindre d'aquifère superficiel isolé par des parois étanches, présente un certain nombre d'avantages par rapport au stockage par puits unique (notamment protection vis à vis de 'entrainement des calories par advection due au mouvement naturel de la nappe). Il conviendrait donc de réaliser sur ce type de dispositif des recherches similaires à celles de la présente étude (expérimentation et étude théorique générale).

9 Les études théoriques générales de fonctionnement thermique des stockages en aquifère (présente étude sur les stockages profonds et étude complémentaire des stockages en nappes superficielles pour le Plan Construction) donnent les éléments pour la prévision des températures à attendre de la production après stockage. Cependant, il manque encore l'élément d'évaluation des coûts, indispensables à la préparation d'un projet : choix du type de stockage (puits unique, doublet, stockage à balayage vertical, stockage par conduction thermique...), et dimensionnement des installations dans l'optique de la recherche d'un optimum économique. Il nous semble donc urgent de réaliser une étude économique générale des différents modes de stockage : évaluation des investissements initiaux et des coûts de fonctionnement au regard des économies d'énergie prévisibles, en fonction du dimensionnement des installations. Ces divers éléments sont indispensables pour définir la faisabilité économique d'un projet ; s'ils sont présentés sous forme facilement utilisable, ils permettent, dans des délais relativement courts, de comparer entre elles différents solutions envisageables.

10 FICHE SIGNALETIQUE ADMINISTRATIVE oooooooooooooooooooooooooooooooooeo Numero de la decision d'aide : Action concertée ( comité scientifique ) : Comité Scientifique "THERMIQUE ET THERMO- DYNAMIQUE" Date d'entrée en vigueur * : 20 OCTOBRE 976 Durée : 8 Mois Montant : F Organisme bénéficiaire : BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES Laboratoire Géothermie : Service Géologique National - Département Hydrogéologie et département Responsable scientifique : J.P. SAUTY (initialement M. A.C. GRINGARTEN) Téléphone : (38) Nombre de chercheurs ayant participé : 5

11 0 FICHE SIGNALETIQUE SCIENTIFIQUE ooooooooooeoooooooooeoooeoooooeoo Numéro de la décision d'aide : Action concertée (comité scientifique) : Comité Scientifique "THERMIQUE ET THERMO- DYNAMIQUE" Objet de la décision profond : Etude des possibilités de stockage d'eau chaude en aquifère Objectifs visés à l'origine : - Etude théorique de 'influence des divers paramètres physiques sur l'exploitation d'un stockage d'eau chaude 2 - Etude expérimentale : réalisation d'un stockage 3 - Comparaison des résultats expérimentaux aux^réçultats Ces objectifs ont-ils été atteints? Sinon, pourquoi? : théoriques OUI L'étude théorique a débouché sur la mise au point d'abaques généraux La réalisation d'un stockage cyclique in situ a permis de vérifier les résultats théoriques D'autres objectifs que ceux visés à l'origine ont-ils été atteints? lesquels? : OUI On a pu vérifier de nouveau (cf Etude modélisation d'un doublet Comité Géothermie - décis.ion d'aide n ), la nécessité de prendre en compte la dispersivité cinématique au sein de 'aquifère,dang le terme diffusif. Le compte rendu a-t-il un caractère confidentiel? : NON Si oui, pendant combien de temps sa diffusion doit-elle être reportée? : Des brevets ont-ils été pris à l'occasion de la recherche? : 'NON Si oui, joindre à la fiche signalétique une liste en annexe L'action peut-elle et doit-elle avoir une suite? : (poursuite au plan de la recherche, passage au plan industriel) Réalisations de stockages à l'échelle industrielle - Etude similaire pour les stockages à balayage vertical - comparaison des performances des deux dispositifs - Etude économique générale des différents types de stockage (investissement initial -.fonctionne.ment Souhaiteriez-vous recevoir éventuellement une aide de la D.G.R.S.T. p < ou r OI l&%ure?" ier^ie l'exploitation des résultats obtenus? : (renouvellement de l'étude, aide au développement, aide à la valorisation industrielle) Aide dans le cadre des actions indiquées ci-dessus. Conclusion générale sur la recherche : Voir page annexe

12 ANNEXE CONCLUSIONS Cette recherche a permis de déterminer l'influence des différents phénomènes physiques sur le comportement d'un stockage thermique par le dispositif du puits unique. Des abaques généraux ont pu être établis en fonction de variables et et paramètres adimensionnels, couvrant le champ des applications pratiques. Ces abaques permettent d'estimer rapidement le fonctionnement thermique probable d'une installation de stockage d'eau chaude, dans le cadre des évaluations d'avant-projet. Cette étude a notamment défini dans quelles conditions de fonctionnement l'efficacité thermique d'un réservoir pouvait être supérieure à 75 %, amenant ainsi à modifier les caractéristiques d'exploitation (débits et volumes injectés) en fonction des caractéristiques du réservoir (épaisseur, paramètres thermiques ). On a vu qu'il est possible d'atteindre rapidement un fonctionnement proche du régime stabilisé, donc de travailler dans les conditions quasi-nominales dès les tous premiers cycles en procédant initialement à une phase d'injection d'eau chaude prolongée. N.B. : Cette étude a été complétée ultérieurement par une recherche effectuée sur incitation du Plan Construction "Stockage longue durée de calories à basse température en nappes phréatiques pour l'habitat", décision d'aide n On y a essentiellemnt étudié : - l'influence des phénomènes propres aux nappes superficielles (écoulement, proximité du sol) sur un stockage à puits unique ; 2 - le fonctionnement de stockage par doublets hydrothermiques ; 3 - les ordres de grandeurs des paramètres adimensionnels à attendre dans les applications pratiques

13 2 Action sur Programme du Comité Scientifique Géothermie N de la décision d'aide : Organisme bénéficiaire : BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES Laboratoire : SERVICE GEOLOGIQUE NATIONAL Responsable scientifique : J.P. SAUTY (initialement A.C. GRINGARTEN) Objet de la décision : Etude des possibilités de stockage d'eau chaude en aquifère profond On indiquera ci-dessous les articles publiés en cours de publication qui se rapportent aux recherches couvertes par l'étude. On donnera : le nom des auteurs, le titre de l'article, les références précises touchant la publication (titre de la revue, numéro, date). SAUTY (J.P.), GRINGARTEN (A.C.), LANDEL (P.A.) - The effect of thermal dispersion on injection of hot water in aquifers - Second Invitational well testing Symposium - Berkeley (USA) - October 25-2, Sponsored by U.S. Department of Energy - Proceedings : Rapport LBL SAUTY (J.P.), GRINGARTEN (A.C.), LANDEL (P.A.), MENJOZ (A) - Sensible Energy storage in Deep Aquifers - Fart I - Theoretical Study - En préparation pour publication dans Water Resources Research. SAUTY (J.P.), FABRIS (M), GRINGARTEN (A.C.), MENJOZ (A) - Sensible Energy storage in Deep Aquifers - Part II - Experimental Study - En préparation pour publication dans Water Resources Research.

14 Nom de l'organisme BENEFICIAIRE Nom du LABORATOIRE Adresse B.P ORLEANS CEDEX. BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES SERVICE GEOLOGIQUE NATIONAL ACTION SUR PROGRAMME COMITE SCIENTIFIQUE THERMIQUE ET THERMODYNAMIQUE Décision d'aide n : BORDEREAU de DIFFUSION du Compte rendu de fin d'étude * DESTINATAIRES Désignation des documents Nombre Observations ) Monsieur le Délégué Général à la Recherche Scientifique et Technique Division du Fonds de la Recherche 35, rue Saint-Dominique PARIS Compte rendu de fin d'étude Fiche de conclusions Liste des publications ) M Compte rendu de fin d'étude Fiche de conclusions Liste des publications Liste des brevets 3) M Compte rendu de fin d'étude Fiche de conclusions Liste des publications Liste des brevets 4) M - Compte rendu de fin d'étude Fiche de conclusions Liste des publications Liste des brevets 5) M Compte rendu de fin d'étude Fiche de conclusions Liste des publications Liste des brevets A ORLEANS Signature : le NOVEMBRE Nota : Afin de permettre à chaque personnalité destinataire de votre compte rendu d'être informée sur la diffusion complète de ce document, chaque bordereau devra comporter la liste complète des destinataires. Une flèche rouge, apposée dans la colonne * Observations» indiquera le destinataire concerné. * Le présent bordereau tient lieu de lettre d'envoi. La diffusion donnée n'est qu'indicative puisqu'elle fera l'objet d'une lettre particulière dans le courant du dernier trimestre de l'année (Cf. page A).