(Encadrant : Arthur Prévost (SIPPEREC))
En France, la chaleur correspond à près de la moitié de la consommation finale d’énergie. Elle reste principalement produite par des énergies fossiles très émettrices de gaz à effet de serre (gaz naturel, fioul …). En 2021, 22,3% de la chaleur consommée était renouvelable [1]. La loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte de 2015 fixe le cap de 38% de chaleur renouvelable en 2030 [2]. L’un des outils de décarbonation de la production de chaleur en France est la géothermie profonde. Source de 2 TWh de chaleur en 2020, elle fait actuellement l’objet d’un plan d’action du ministère de la transition énergétique afin d’atteindre la cible de 4 à 5,2 TWh produits en 2028 [3].
L’Île de France est la zone de développement principale des réseaux de chaleur alimentés par géothermie profonde, du fait de la présence d’un aquifère adéquat, la nappe phréatique du Dogger, située aux alentours de 1600m de profondeur, et de besoins de chaleur conséquents liés à la forte densité de population. Le captage de la ressource se fait très majoritairement par une structure de doublet géothermal, un système composé d’un puits producteur acheminant l’eau chaude (65°C environ) à la surface, et d’un puits injecteur restituant l’eau à son aquifère d’origine, après extraction des calories (30°C sur le retour environ). Malgré un écart des impacts au sous-sol de plus d’un kilomètre, un phénomène de “bulle froide” se forme au pied du puits injecteur et se propage au fil des années jusqu’au puits producteur, détériorant la qualité de la ressource en refroidissant l’eau extraite à terme. La durée de vie thermique d’un doublet classique est comprise entre 30 et 60 ans [4].
Il faut noter que la nappe phréatique a la capacité de se recharger, grâce à un flux d’énergie thermique de l’ordre de 60 mW/m². Cette recharge n’est cependant pas suffisante pour compenser le phénomène décrit précédemment. Un stockage de chaleur artificiel dans la nappe phréatique peut cependant être envisagé [5]. C’est l’objet de ce mini-projet.
Les élèves pourront s’inspirer de l’étude GEOSTOCAL qui de 2007 à 2011 étudiait le stockage au Dogger de la chaleur perdue des incinérateurs d’Ivry-sur-Seine [6]. Une simulation de stockage de chaleur fatale au Dogger est réalisée dans l’article suivant [7].
Les systèmes HT-ATES (High-temperature aquifer thermal energy storage) existant en Europe pourront également être source d’information pour ce travail, avec notamment la centrale de Neubrandenburg [8] et le projet HeatStore à Genève [9].
Les questions suivantes pourront être étudiées :
Quel est le potentiel de production de chaleur renouvelable et de récupération disponible grâce à cette solution ? Pourrait-elle participer au respect des objectifs énergétiques français ? Le cas de l’île de France sera étudié plus en détail.
Quels sont les défis technologiques à relever ?
Cette solution a-t-elle une réalité économique, pour les nouveaux réseaux de chaleur et pour les réseaux existants ? Des éléments économiques sur le sujet peuvent être trouvés dans cet article [10]
Quels sont les risques hydro-géo-chimique d’une température anormale au Dogger ?
Le rendu devra se présenter sous la forme d’un poster, que les étudiants devront commenter tout en répondant aux questions d’un jury, ainsi qu’un A4 recto verso.
[1] Panorama de la chaleur renouvelable et de récupération https://www.fedene.fr/wp-content/uploads/sites/2/2022/12/panorama-chaleur-2022-web.pdf
[2] Loi de transition énergétique pour la croissance verte https://www.ecologie.gouv.fr/loi-transition-energetique-croissance-verte
[3] Plan d’action pour la géothermie https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/02.02.2023_DP_Geothermie.pdf
[4] La géothermie par l’AFPG
[5] Le stockage de chaleur en aquifère : une nouvelle perspective pour la géothermie
https://www.mines-saint-etienne.org/global/gene/link.php?doc_id=1018&fg=1
[6]Geostocal
https://anr.fr/Colloques/NTE2009/pdf/2/STOCKE_3_GEOSTOCAL_poster.pdf
[7]Geothermal contribution to the energy mix of a heating network when using Aquifer Thermal Energy Storage: Modeling and application to the Paris basin
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0375650513000163
[8] La centrale de Neubrandenburg https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2000/R0495.PDF
[9] Le projet Heatstore
https://www.heatstore.eu/national-project-switzerland-geneva.html
[10] Worldwide application of aquifer thermal energy storage
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032118304933