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Sous-sol et énergies renouvelables : hydroélectricité souterraine et géothermie de faible température | LIEGE CREATIVE, 31.05.2018

N
Nancy BOVY

Le sous-sol est de plus en plus considéré pour la production et surtout le stockage d’énergie renouvelable. Au cours de cette rencontre-conférence, le Professeur Alain Dassargues présentera les principes de l’hydroélectricité souterraine ainsi que les particularités de son installation et de son rendement. Il évoquera aussi les avantages et inconvénients des circuits ouverts et fermés lorsque l’on envisage la géothermie de faible température. Les circuits ouverts permettent également le stockage de chaleur dans le sous-sol avec des fréquences très variées : de saisonnières à journalières à optimiser en fonction des usages et des conditions hydrogéologiques locales. Ces installations peuvent également s’envisager sur des sites miniers abandonnés. Il se penchera ensuite sur la situation en Wallonie où ces projets sont encore trop souvent freinés par une incompréhension entre les acteurs privés et publics autour de la problématique des autorisations : un déblocage de cette situation est urgent et doit venir de tous les acteurs du domaine.

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Sous-sol et énergies renouvelables:
hydroélectricité souterraine
&
géothermie de faible température
A. Dassargues
Liege Creative 31/05/2018 1
2
UPSH = Underground Pumped Storage Hydroelectricity …
Echanges avec
le milieu
souterrain
3
UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité
Courbes calculées pour un débit constant
et des vitesses de rotation variables
Efficacité Maximum est atteinte lorsque la
difference de hauteur est de 50m (pour une
prof. de nappe de 50m)
BEP = Best Efficiency Point
50m
4
UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité
Challenges/ Risques
Imperméabilisations/ stabilisation des parois ?
Effet de fatigue dans les roches ?
Gestion de l’air et de l’eau dans les espaces souterrains
ouverts mais de géométries complexes?
Impacts hydrochimiques?
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UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité
Impacts hydrochimiques:
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… à préciser au cas par cas !
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0 10 20 30
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0 10 20 30
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Time (d)
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Sous-sol et énergies renouvelables : hydroélectricité souterraine et géothermie de faible température | LIEGE CREATIVE, 31.05.2018

  • 1. Sous-sol et énergies renouvelables: hydroélectricité souterraine & géothermie de faible température A. Dassargues Liege Creative 31/05/2018 1
  • 2. 2 UPSH = Underground Pumped Storage Hydroelectricity … Echanges avec le milieu souterrain
  • 3. 3 UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité Courbes calculées pour un débit constant et des vitesses de rotation variables Efficacité Maximum est atteinte lorsque la difference de hauteur est de 50m (pour une prof. de nappe de 50m) BEP = Best Efficiency Point 50m
  • 4. 4 UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité Challenges/ Risques Imperméabilisations/ stabilisation des parois ? Effet de fatigue dans les roches ? Gestion de l’air et de l’eau dans les espaces souterrains ouverts mais de géométries complexes? Impacts hydrochimiques? …
  • 5. 5 UPSH : 2 aspects à étudier : impact et efficacité Impacts hydrochimiques: … notamment changements de pH … à préciser au cas par cas ! 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 Time (d) pH Time (d) Und. reservoir Surface reservoir 15 m from the reservoir Reservoirs
  • 6. 6 Utiliser les aquifères pour exploiter/stocker de la chaleur ? pourquoi pas, mais … aquifères = formations géologiques perméables
  • 7. 7 Gradient géothermique … environ 3° / 100 m (hors anomalie) … en plus de la t° moyenne annuelle du lieu Exemple: chez nous on peut espérer 27° à 500 m (12° + 15°)
  • 8. 8 Différents types de géothermie… mais pour le stockage: - faible profondeur car forages + pompages - qq dizaines de m … géothermie de très basse température avec pompes à chaleur L’utilisation de la chaleur terrestre Aperçu, technologies, visions Editeur : Office fédéral de l’énergie (OFEN), Suisse
  • 9. 9 Température du sous-sol immédiat Modified from GeoTrainet 2011
  • 10. 10 Systèmes de basse température : - avec pompes à chaleur - circuits ‘ouverts’ ou circuits fermés Il faut étudier et quantifier : - les impacts sur le milieu - l’efficacité (rendements) du système à court, moyen et long termes
  • 11. 11 Abbréviations communes Générales GHP = Ground Heat Pump system GSHP = Ground Source Heat Pump system SGE = Shallow Geothermal Energy UTES = Underground Thermal Energy Storage Systèmes fermés BHE = Borehole Heat Exchanger TRT = Thermal Response Test BTES = Borehole Thermal Energy Storage Systèmes ouverts ATES = Aquifer Thermal Energy Storage Outils DTS or DTPS = Distributed Thermal (Perturbation) Sensing
  • 12. 12 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? Critères de décision - coût d’installation - conditions du sous-sol - impacts - rendements Coûts d’installation: coûts circuits fermés > coûts circuits ouverts sûrement pour puissances > 100 kW Conditions du sous-sol: grande conductivité hydraulique pour circuits ouverts Impact: à étudier cas par cas Rendement: à étudier cas par cas Modified from GeoTrainet 2011 BTES ATES
  • 13. 13 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? Pour circuit ouvert Puissance: 𝑷 = 𝑸. ∆𝑻. 𝒄 𝒘𝒂𝒕𝒆𝒓 𝟏− 𝟏 𝑪𝑶𝑷 𝒎 𝟑 𝒉 . °𝑪. 𝒌𝑾𝒉 𝒎 𝟑°𝑪 Pour circuit fermé Puissance: système vertical : 40 à 60 W/m, système horizontal: 24 W/m2 Modified from GeoTrainet 2011 BTES ATES
  • 14. 14 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? Dimensionnement pour puissance de 150 kW: - si circuit fermé vertical (40 à 60 W/m) … pour sous-sol à 12° et un COP de 3,5 45 forages de 65 à 70 m - si circuit ouvert: pour eau souterraine à 12° 2 forages avec pompage de 21 m3/h frais d’installation environ 10x moins chers ! Dimensionnement pour un hôpital (500-600kW): - doublet avec 2 puits pour production de 90 m3/h (diamètre 25cm) … au lieu de 80 forages à 150 m ? à 50W/m = 630kW frais d’installation environ 30x moins chers ! Pour grandes puissances, quand il y a moyen, avantage net aux systèmes ouverts (ATES)
  • 15. 15 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? + tenir compte de l’énergie nécessaire au pompage (si zone saturée du sous-sol est profonde ) + pertes de rendement dues à la qualité des ESO et des phénomènes d’encrassement/précipitations dans l’échangeur …utilisation d’un ‘échangeur intermédiaire’ sans doute remplaçable ou facilement ‘nettoyable’ placé avant l’échangeur (pompe à chaleur) principal + frais d’études plus approfondies sur les conditions hydrogéologiques du sous-sol
  • 16. 16 Chez nos voisins ? BTES et ATES aux Pays-Bas jusqu’en 2009 Bonte et al. 2011
  • 17. 17 Utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ? Injection et pompage dans une couche géologique Les potentialités sont en principe grandes … … mais à vérifier en pratique - jouer sur l’alternance saisonnière (geothermie + geocooling) - espérer que la migration de chaleur au sein du sous-sol soit faible - étudier les impacts - étudier les rendements ATES
  • 18. 18 Utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ? Efficacité et impact sont très liés : optimisation nécessaire Impact - éviter les rabattements et remontées trop importants induisant tassements demande une grande conductivité hydraulique K mais aussi peu de terrains compressibles - éviter des réchauffements de la nappe à moyen et long terme impliquant des changements physico-chimiques. Efficacité - pomper de gros volumes d’eau souterraine et les réinjecter demande une grande conductivité hydraulique K (aquifère) - espérer que la chaleur n’ait pas (trop) migré entre 2 saisons: faibles flux souterrains (un faible gradient et donc … une faible conductivité hydraulique)
  • 19. 19 Impact/efficacité Aspects hydrodynamiques - trouver les endroits où le compromis entre valeur de K et gradient hydraulique est acceptable pour inverser les puits à la saison suivante avec un maximum de rendement et un minimum d’impact sur les environs Aspects hydrochimiques - transport réactif accentué par les changements de température favorisant corrosion ou précipitations/clogging notamment près du puits de réinjection
  • 20. 20 Beaucoup de réponses attendues de la phase d’étude et de caractérisation … nécessaires également pour le ‘permitting’ - seuls quelques sites correspondent aux circonstances hydrogéologiques qui conviennent - calculer rigoureusement les rabattements induits et remontées - calculer rigoureusement les impacts potentiels au niveau la quantité et de la qualité des eaux souterraines - appréhender l’hétérogénéité réelle et incertaine du site, et son influence potentielle sur les rendements et impacts - calculer les rendements à long terme avec d’éventuels changements redox
  • 21. 21 Que faire ? bien comprendre, mesurer, caractériser et modéliser le système souterrain (1) Conduction thermique … est le résultat du gradient thermique, existe sans écoulement d’eau souterraine, le flux thermique de conduction [W/m2 ou J/(s.m2) ]: 𝜆 𝑏 𝛻𝑇 où 𝝀 𝒃 est la conductivité thermique [W/(m.°K)] du milieu poreux (i.e. solide + eau) - 0.2 W/(m°K) pour des sédiments secs - 4.5 W/(m°K) pour un grès saturé - 0.60 W/(m°K) pour l’eau L’intervalle de variation est nettement plus petit que pour le conductivités hydrauliques
  • 22. 22 Valeurs de conductivité thermique Lithology* 𝝀 𝒃 (Wm-1°K-1) granite and gneiss 3.2 – 4.4 basalt 3.0 – 3.5 quartzite 4.0 – 6.5 shales 1.5 – 3.5 schists and slates 1.3 – 3.0 limestone and dolomite (karstified) 2.5 – 4.5 chalk 1.5 – 2.5 sandstone 2.5 – 5.0 siltstone 2.0 – 4.0 volcanic tuff 1 – 1.5 gravels 2.5 – 4.5 sands 3.0 – 5.5 silts 2.0 – 4.0 loams, loess and clays 2.0 – 3.0 air 0.024 – 0.026 water 0.57 - 0.60 organic matter 0.25 – 0.40 * values for dry conditions (i.e., with air in the pores and fissures). Saturated or partially saturated values will be slightly greater according to the water content and resulting from the difference in the thermal conductivities of water and air. Data obtained from local rocks should be privileged for detailed calculations of geothermal systems.
  • 23. 23 Que faire ? bien comprendre, caractériser et modéliser le système souterrain (2) Advection et/ou convection … transfert de chaleur par mouvement de l’eau induit par gradient hydraulique (+ par gradient de température, convection thermique) le flux de convetion [W/m2 ou J/(s.m2)] : 𝜌 𝑤 𝑐 𝑤 𝑞 𝑇 où 𝝆 𝒘 est la densité de l’eau [kg/m3], 𝒄 𝒘 est la capacité thermique de l’eau [J/(kg°K)], 𝒒 est le flux de Darcy [m/s].
  • 24. 24 Que faire ? bien comprendre, mesurer, caractériser et modéliser le système souterrain (3) Dispersion thermique inférieure à la dispersion d’un soluté … le flux de dispersion [W/m2 ou J/(s.m2)] : 𝜌 𝑏 𝑐 𝑏 𝑫 𝛻𝑇 où 𝝆 𝒃 est la densité [kg/m3] du milieu poreux, 𝒄 𝒃 est la capacité thermique [J/(kg°K)] du milieu poreux 𝑫 est le tenseur de dispersion thermique dependant du flux de Darcy 𝒒 et des coefficients de dispersivité (longitudinale et transversale) thermique La dispersion thermique est le plus souvent négligée par rapport à la conduction thermique !
  • 25. 25 Valeurs de capacité thermique Lithology* 𝒄 𝒃 (Jkg-1°K-1) 𝝆 𝒃 𝒄 𝒃 (Jm-3°K-1) granite and gneiss 0.74 -0.79 103 2 – 2.1 106 basalt 0.79 – 0.86 103 2.1 – 2.3 106 quartzite 0.70 – 0.75 103 1.85 – 1.95 106 shales 0.89 – 1.11 103 2.5 – 3.0 106 schists and slates 0.71 – 1.11 103 2.0 – 3.0 106 limestone and dolomite 0.80 – 0.91 103 2.2 – 2.5 106 chalk 0.90 103 2.2 – 2.25 106 sandstone 0.74 – 0.92 103 1.63 – 2.2 106 siltstone 0.79 - 0.88 103 2.0 - 2.2 106 volcanic tuff 0.2 103 0.2 – 0.5 106 gravels 1.0 – 1.5 103 1.3 – 2.0 106 sands 0.80 – 0.96 103 1.5 – 2.1 106 silts 0.8 – 1.1 103 1.7 - 2.3 106 loams, loess and clays 1.1 – 2.1 103 2.3 – 4.2 106 air 1.005 103 1.25 water 4.18 103 4.18 106 organic matter 1.93 103 2.51 106 * values for dry conditions (i.e., with air in the pores and fissures). Saturated or partially saturated values will be greater according to the water content and resulting from the huge difference in the thermal capacity values of water and air. Data obtained from local rocks should be privileged for detailed calculations of geothermal systems.
  • 26. 26 Que faire ? bien comprendre, caractériser et modéliser le système souterrain 𝜕𝜌 𝑏 𝑐 𝑏 𝑇 𝜕𝑡 = −𝛻 ⋅ 𝑞𝜌 𝑤 𝑐 𝑤 𝑇 − 𝜆 𝑏 𝛻𝑇 ± 𝑄 𝑇 W/m3 ou J/(s.m3) ou 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = −𝛻 ⋅ 𝜌 𝑤 𝑐 𝑤 𝜌 𝑏 𝑐 𝑏 𝑞𝑇 − 𝜆 𝑏 𝜌 𝑏 𝑐 𝑏 𝛻𝑇 ± 𝑄 𝑇/ 𝜌 𝑏 𝑐 𝑏 convection diffusion incluant majoritairement la conduction
  • 28. 28 Modélisations préalables, puis modélisations calibrées sur essais permettant de: 1) Tester et optimiser doublet géothermique 2) Calculer rabattements et remontées dans les environs 3) Evolution de la température de l’eau dans l’aquifère (et pompée) à court, moyen et long terme 4) Modèle couplé de transport réactionnel: simulation des éventuels processus de ‘clogging’ et effets induits 5) Analyse de sensibilité des résultats aux incertitudes du site et aux différents scénarios énergétiques Essais sur le terrain - pour BTES: TRT (Thermal Response Test) + caractérisation sous-sol + bilan thermique - pour ATES: essais de pompages et essais de traçages thermiques + bilan thermique ‘Permitting’ / autorisations … pour les forages et équipements de puits, les conditions sectorielles sont encore (trop/fort) liées à la production d’eau (potabilisable)
  • 29. 29 Conclusions/perspectives Circuit fermé (BTES) Circuit ouvert (ATES) Fort gradientFaible gradient - échange de chaleur avec le milieu - stockage possible mais limité - pompage – réinjection - grand stockage de chaleur possible - à optimiser - pompage et réinjection éventuelle - T sous-sol constante - pas vraiment de stockage Puissance < 100kW Puissance > 100kW Faible K Grande K Ex.: argiles, limons, schistes, marnes Ex.: graviers, sables, craies, grès, calcaires, …
  • 30. 30 Merci ! URGENCE en RW - Meilleure prise en compte des conditions du sous-sol par les acteurs - Meilleure prise en compte des spécificités d’un pompage pour des applications géothermiques par les autorités
  • 31. 31 Suppléments d’informations Références Publications internationales Hermans Th., Nguyen F., Klepikova M., Dassargues A. and J. Caers, 2018. Uncertainty quantification of medium-term heat storage from short-term geophysical experiments, Water Resources Research, 54: 2931-2948. https://doi.org/10.1002/2017WR022135 Klepikova M., Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T., Nguyen F., Brouyere S. and Dassargues A., 2016, Heat tracer test in an alluvial aquifer: field experiment and inverse modelling, Journal of Hydrology, 540, pp. 812-823. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.06.066 Hermans T., Wildemeersch S., Jamin P., Orban P., Brouyère S., Dassargues A. and Nguyen F., 2015, Quantitative temperature monitoring of a heat tracing experiment using cross-borehole ERT, Geothermics, 53, pp. 14-26. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375650514000376 Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T., Nguyen F., Brouyère S. & Dassargues A., 2014, Coupling heat and chemical tracer experiments for estimating heat transfer parameters in shallow alluvial aquifers, Journal of Contaminant Hydrology, 169, pp.90-99. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169772214001247# Publication nationale Fossoul, F., Orban, P. & Dassargues, A., 2011, Numerical simulation of heat transfer associated with low enthalpy geothermal pumping in an alluvial aquifer, Geologica Belgica, 14(1-2), pp. 45-54. http://popups.ulg.ac.be/Geol/document.php?id=3212
  • 32. 32 Suppléments d’informations Références Chapitres de livres Dassargues A. 2018, Heat transfer in aquifers and shallow geothermy. Chap.11, In: Hydrogeology: Groundwater Science and Engineering, in press. Dassargues A., Wildemeersch S., 2014, Géothermie de très basse température, in Watervoerende lagen & grondwater in Belgïe – Aquifères & eaux souterraines en Belgique, Partie 2, Chapitre 6, pp. 375-381. Academia Press. Conférence sur Invitation KULeuven, Meet the jury Conference, ‘Hydrothermal characterization of an alluvial aquifer by heat and solute tracer tests’, 27/11/2013. Congrès Dassargues A. 2018. La double porosité de la craie : influence sur le transport de solutés et de chaleur, 22èmes journées techniques du Comité Français d’Hydrogéologie de l’Association Internationale des Hydrogéologues: Hydrogéologie de la craie’, Le Havre, 24-25 mai 2018. http://hdl.handle.net/2268/221513 Klepikova M., Jamin P., Orban Ph., Brouyère S. and Dassargues A., 2016, How heterogeneity of the K-field influences a heat plume in a shallow alluvial aquifer: responses from a heat tracer test, 5th International Geologica Belgica Meeting (GB2016) in Mons January 26-29 2016, S9: Reservoir I: Hydraulic and thermal properties of rocks. p.77. http://hdl.handle.net/2268/192394
  • 33. 33 Références (suite) Congrès Klepikova M., Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T., Nguyen F., Brouyère S. and Dassargues A., 2016, Heat tracer test in an alluvial aquifer: field experiment and inverse modelling, Abstract EGU2016-6188, Session HS8.2.5/ERE5.5 Thermal and mechanical processes and energy storage in porous and fractured aquifers. http://hdl.handle.net/2268/195219 Hermans T., Jamin P., Wildemeersch S., Klepikova M., Orban P., Brouyère S., Dassargues A. and Nguyen F., 2016, Comparison of temperature from DTS and ERT with direct measurements during heat tracer experiment in heterogeneous aquifer, IAH Congress 2016 Montpellier. http://hdl.handle.net/2268/202072 Klepikova M.V., Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T., Nguyen F., Brouyère S. and Dassargues A., 2015, Use and utility of combined solute and heat tracer tests for characterizing hydrogeothermal properties of an alluvial aquifer, CBH-BCH, Belgian National IAH Chapter Study Day on Geothermy, Mons, June 5, 2015. http://hdl.handle.net/2268/182626 Dassargues A., Klepikova M., Jamin P., Orban Ph., Brouyère S., 2015, Heat and solute tracer tests in an alluvial aquifer : field experiment and inverse modelling, AGU Fall Meeting 2015, San Francisco, Session H51F Abstract 1438, 14-18 December, http://hdl.handle.net/2268/193004 Wildemeersch, S., Klepikova, M., Jamin, P. Orban, P., Hermans, T, Brouyère, S., and Dassargues, A., 2014, Thermal tracer tests for characterizing a shallow alluvial aquifer, EGU General Assembly 2014, Vienna, 28 April 2014, HS8.2.5: Thermal and mechanical processes and energy storage in porous and fractured aquifers: poster paper EGU 2014-11169. http://hdl.handle.net/2268/171023 Klepikova M., Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T. Brouyère S. and Dassargues A., 2014, A heat and dye tracer test for characterizing and modelling heat transfer in an alluvial aquifer, 7th International Groundwater Symposium, 22-24 September 2014 - Perugia – Italy. http://hdl.handle.net/2268/176622
  • 34. 34 Références (suite) Congrès (suite) Wildemeersch S., Jamin P., Orban Ph., Hermans T., Brouyère S. & Dassargues A., 2013, Coupling heat and salt tracer experiment for the estimation of heat transfer and solute transport parameters, 8th IAHS International Groundwater Quality Conference (GQ13), University of Florida, Gainesville, 21-26/04/2013, Abstract Book, p.60. Wildemeersch S., Orban P., Hermans T., Brouyère S. and Dassargues A., 2013, Heat transfer characterization in a shallow aquifer using heat and dye tracer tests, Knowledge for the future, IAHS-IAPSO-IASPEI Joint Assembly Gothenburg, 22-26 July 2013, IAHS Symposium Hw08 - Subsurface warming, heat energy and groundwater. Hermans T., Wildemeersch S., Jamin P., Orban P., Brouyère S., Dassargues A., Nguyen F., 2013, A heat injection and pumping experiment in a gravel aquifer monitored with crosshole electrical resistivity tomography, EarthDoc - Near Surface Geosciences 2013 - 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Bochum 9-11 september 2013. Dassargues A., Wildemeersch S., Jamin P., Orban P., Hermans, T. and Brouyère S., Heat transfer characterization using heat and solute tracer tests in a shallow alluvial aquifer, AGU Fall Meeting 2013, San Francisco, Session H51D Abstract 1209, 9-13 December. Fossoul, F., Orban, P. and Dassargues, A., 2010, Modelling groundwater pumping and coupled heat transport in a alluvial aquifer: tests using different codes an optimisation, in XVIII International Conference on Computational Methods in Water Resources, CMWR 2010, J. Carrera (Ed), CIMNE, Barcelona 2010.
  • 35.