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[DOSSIER] Un doublet géothermique réversible à l'ENSEGID - Bordeaux INP

[DOSSIER] Un doublet géothermique réversible à l'ENSEGID - Bordeaux INP

Le CPER 2014-2020 ATE "Aquitaine Terre d'Eau" a permis à l’ENSEGID-Bordeaux INP de se doter d’un nouveau bâtiment accueillant un procédé innovant de géothermie réversible avec stockage inter-saisonnier d'énergie nommé ATES (Aquifer Thermal Energy Storage).

A la conception de ce projet, l’idée ambitieuse qu’une école d’ingénieurs et un grand groupe industriel puisse collaborer à fait naître un partenariat ayant pour objectif d’imaginer des solutions innovantes et optimisées de géothermie : l'ENSEGID - Bordeaux INP et Storengy.

La construction du nouveau bâtiment de l’ENSEGID fut l’opportunité de chercher une solution novatrice, durable et respectueuse de l’environnement pour le chauffage mais aussi pour la climatisation. Par ailleurs, le Bassin Aquitain est propice aux projets de géothermie et la région et la métropole souhaitent affirmer leur volonté de développer les énergies renouvelables. Storengy travaille, depuis quelques années, sur les systèmes novateurs pouvant fournir et/ou stocker de la chaleur à des bâtiments à partir du sous-sol, ce qui nécessite de ré-inventer la géothermie.

Ainsi, la solution s’est naturellement portée vers un doublet réversible de géothermie, ou ATES. L’ATES, inexploité en France, présente d’importants potentiels.

Le doublet réversible ATES de l’ENSEGID-Bordeaux INP

Le système ATES de l’ENSEGID stocke et exploite de l’eau à une basse température comprise entre 10 et 20°C, ce qui lui confère le statut de géothermie de minime importante (GMI) ou LT-ATES (Low Temperature) suivant la dénomination internationale.

L’avantage de cette gamme de température est de pouvoir répondre à l’ensemble des besoins d’un bâtiment (chauffage en hiver et refroidissement en été via une pompe à chaleur réversible) :

La nappe ciblée est constituée des calcaires oligocènes, située à une profondeur comprise entre 35 et 70 m.
Ce dispositif est composé de deux forages de production/injection distant de 150 m.
De plus, au niveau de chaque forage, deux piézomètres (puits d’observation) ont été créés, un à 10 m en aval hydraulique et le second à 5 m, perpendiculairement au sens d’écoulement de la nappe.
Par ailleurs, l’ENSEGID disposait déjà de 4 forages captant cette nappe, qui vont être transformés en piézomètres. Au total, le système entier se compose ainsi de 2 forages de production/injection et de 8 piézomètres (puits d’observation).

Fort de ce dispositif d’observation extrêmement complet et étendu, l’ATES de l’ENSEGID est voué à devenir un site pilote de référence à l’échelle nationale pour comprendre et modéliser ce type d’exploitation géothermique à court et long terme.

Le système d’observation ainsi élaboré permettra en particulier un suivi en continu des différents paramètres hydrodynamiques et thermiques de l’aquifère. Les données acquises grâce à l’ATES serviront à quantifier les capacités de stockage d’énergie dans le sous-sol et les aquifères. Le système ATES et piézomètres contribuera ainsi à la conduite de travaux de recherche sur les ATES et au développement de ces derniers.

Ce nouveau bâtiment se veut être un démonstrateur du savoir-faire que nous proposons à nos élève-ingénieurs, savoir utiliser durablement les ressources environnementales et dans ce cas précis, la chaleur terrestre via de la géothermie pour chauffer et climatiser le futur bâtiment avec un impact le plus faible possible sur l’environnement avec une boucle réversible en cercle vertueux.

Schéma du doublet réversible ATES de l’ENSEGID-Bordeaux INP

1. Aquifère captif de l’Oligocène entre 40 et 70 m de profondeur, qui contient l’eau géothermale à 15°C.

2. Puits de captage qui permet le prélèvement de l’eau géothermale de la nappe captive vers le bâtiment en mode chauffage (hiver), et qui permet de réinjecter l’eau venant du bâtiment dans l’aquifère en mode rafraichissement (été).

3. L’eau captée issue de la nappe de l’Oligocène échange ses calories/frigories avec un circuit de production au travers d’un échangeur.

En hiver (mode chauffage), le circuit de production permet à la pompe à chaleur de produire une eau à 45°C en échangeant avec l’eau de la nappe à 15°C (au lieu d’échanger avec un air extérieur à une température moyenne de 7°C. L’eau refroidie sortant de la pompe à chaleur est alors réinjectée dans la nappe par le second puits.
En été (mode refroidissement), la pompe à chaleur produit une eau à 14°C à partir de l’eau géothermale à 15°C issue du second puits (au lieu d’échanger avec un air extérieur voisin de 30°C). L’eau réchauffée sortant de la pompe à chaleur est alors réinjectée dans la nappe par le premier puits.

4. Puits dans lequel l’eau géothermale refroidie en mode hiver est réinjectée dans l’aquifère d’origine à distance du puits de captage. En mode été, ce puits devient l’ouvrage de production/prélèvement pour le circuit de refroidissement.

Les acteurs du doublet géothermique réversible

Dans le cadre d’une convention cadre de partenariat signée à l’occasion des assises de l’énergie en 2017, le partenariat entre l’ENSEGID-Bordeaux INP et Storengy a pour vocation d’imaginer des solutions optimisées et innovantes et de collaborer autour d’actions touchant en particulier à la géothermie.

La force de cette synergie réside dans la complémentarité de ses acteurs. L’ENSEGID apporte son expertise, ses compétences et sa connaissance locale des aquifères du bassin aquitain en hydrogéologie, géochimie et utilisation raisonnée de la ressource et Storengy ses compétences en ingénierie, géosciences, forage et exploitation du sous-sol.

Les échanges d’expertises entre nos chercheurs et les experts de Storengy bénéficieront à tous : à Storengy, à l’ENSEGID, mais aussi à nos élèves ingénieurs qui pourront se confronter à des projets concrets et des technologies d’avenir, en ligne avec les impératifs de la transition énergétique.

ENSEGID-Bordeaux INP

L’Ecole Nationale Supérieure en Environnement, Géoressources et Ingénierie du Développement durable (ENSEGID) est l’une des 8 écoles d’ingénieurs publiques de Bordeaux INP. L’ENSEGID forme des ingénieurs polyvalents dans les domaines de la recherche, de l’exploitation et de la gestion raisonnée des ressources naturelles, dans une démarche de développement durable.

Son expertise scientifique sur les domaines de la géothermie se fonde sur les nombreux travaux de recherche menés en hydrogéologie profonde au sein des systèmes aquifères multicouches du bassin aquitain. La spécificité hydrogéologique du bassin aquitain, avec des aquifères très profonds qui imposent la prise en compte des effets thermiques, a été à l’origine du développement de connaissances et de compétences reconnues nationalement et internationalement en géothermie.

Concomitamment à la réalisation des premiers forages géothermaux profonds dans la métropole bordelaise et ses environs dans les années 1970-1980, les premiers enseignements dédiés à la géothermie ont mis en place en s’appuyant sur les données et connaissances issues de la foration et l’exploitation de ces forages géothermaux, en relation avec les industriels en charge des projets.

Cette même démarche partenariale est au centre de la formation actuellement proposée à l’ENSEGID, et notamment en ce qui concerne le démonstrateur d’ATES envisagé pour le futur bâtiment.

Storengy

Storengy, filiale d’ENGIE, est l’un des leaders mondiaux dans le stockage souterrain de gaz naturel.

Fort de 60 ans d’expérience, Storengy conçoit, développe et exploite des installations de stockage, et offre à ses clients des produits innovants. L’entreprise dispose de 21 sites de stockage de gaz naturel, totalisant une capacité de 12,2 milliards de m3 en France, en Allemagne et au Royaume-Uni. Storengy se positionne aujourd’hui comme un acteur-clé dans le développement de la géothermie (production de chaleur ou de froid et production d’électricité) et de solutions novatrices de production et de stockage de gaz renouvelables (biométhane, hydrogène, …).

FINANCEMENT

Le projet ATES stricto sensu (investissement bâtimentaire) entre dans le cadre d’un financement CPER 2015-2021 multi partenarial entre la Région Nouvelle-Aquitaine, Bordeaux Métropole, l’Europe (FEDER), l’État et Bordeaux INP. Le volet recherche est quant à lui financé dans le cadre de la convention de partenariat existante entre Storengy et Bordeaux INP, et couvre le financement de l’ensemble des activités de recherche initiées sur la base du projet d’ATES.

Zoom sur Jeremy Godinaud - doctorant ENSEGID

Dès le lycée, Jérémy a manifesté un grand intérêt sur les questions relatives à la gestion de l’eau potable et la valorisation énergétique de cette ressource. C’est tout naturellement qu’il s’oriente vers les CPBx (Classe préparatoire intégrée aux grandes écoles) afin d’intégrer l’ENSEGID-BORDEAUX INP.

C’est au cours de sa formation d’ingénieur que Jérémy développe un attrait particulier pour l’étude des aquifères et leur valorisation énergétique via la géothermie.

Suite à une première expérience via un contrat de recherche sur l’analyse isotopique des aquifères profonds du bassin, il commence en novembre 2019 une thèse sur un sujet qui le passionne depuis le début de ses études.

L’opportunité qu’offre ce projet pour faire avancer la visibilité de la recherche des technologies ATES, et donc de contribuer à la réduction des impacts environnementaux des bâtiments est une chance à saisir.
C’est d’autant plus motivant que cette démarche s’inscrit dans un cadre concret avec un site réel à disposition.

Jeremy GODINAUD

Sujet de thèse : « Le sous-sol comme réservoir pour le stockage d’énergie : ATES perspective de développement et amélioration »

Dans le cadre de la construction du nouveau bâtiment de l’ENSEGID, un système géothermique ATES va être mis en place afin d’alimenter thermiquement (en rafraichissement et en chaleur) les locaux. De ce projet découle un travail de thèse dont les objectifs principaux sont les suivants :

Observer et analyser à quel point la description fine d’un contexte géologique complexe à faible profondeur, et l’acquisition de paramètres hydrodynamiques et thermiques via différentes technique (fibre optique, essai de traçage) peut avoir une influence sur les résultats d’un modèle conceptuel ATES
Analyser l’impact de la taille des mailles, de la prise en compte des hétérogénéités et du choix des paramètres de la modélisation sur la vitesse de calcul du modèle et sa représentativité par rapport aux observations. Définir une approche à même d’intégrer les incertitudes inhérentes à tous projets développé avec une composante sous-sol.
Utiliser la technique de l’analyse du cycle de vie (ACV) pour comparer l’impact environnemental global de la technologie ATES à différents systèmes énergétiques (systèmes conventionnels ou plus innovant). Réaliser tout d’abord cela dans le contexte de l’ENSEGID, puis effectuer le même travail en simulant des demandes thermiques supérieures de bâtiments plus volumineux.

Volet analyse du cycle de vie

L’analyse du cycle de vie (ACV) est utilisée pour étudier et modéliser les impacts environnementaux d’un objet ou système, « du berceau à sa tombe », en commençant par l’extraction des matières premières nécessaires à la création du produit, puis en passant par la conception des pièces, leur assemblage, l’utilisation du produit et en terminant sur les méthodes utilisées pour gérer sa fin de vie (élimination et recyclage).

Grâce à ce type d’analyse, plusieurs catégories d’impacts peuvent être étudiés (et non seulement l’émission de CO2). En effet, l’ACV permet de quantifier des impacts intermédiaires dits « midpoints », qui prennent en compte par exemple les effets sur le réchauffement climatique, l’extraction des minéraux, l’acidification ou encore l’eutrophisation. Ces impacts intermédiaires peuvent servir à mesurer des impacts finaux sur la santé humaine, la qualité des écosystèmes ou encore la disponibilité des ressources.

L’ACV est utile pour différentes finalités, elle permet entre autres de :
Comparer l’impact environnemental de deux produits ou système ayant une fonction similaire en prenant en compte la totalité de leur cycle de vie,
Identifier les étapes du cycle de vie d’un produit les plus impactantes pour l’environnement,
Éviter des transferts d’impact d’une étape du cycle de vie d’un produit à une autre,
Cibler les étapes et processus clés à améliorer afin de faire diminuer l’impact environnemental d’un produit.

Au début des années 2000, cette technique a été largement développée et harmonisée à travers le monde et son utilisation est soumise aux normes ISO 14040 et 14044.

Dans le cadre de la thèse, une ACV du système ATES va être réalisée pour comparer les impacts environnementaux de ce système énergétique à des systèmes plus classiques (type chaudière à gaz et climatiseur) ou des systèmes dits renouvelables.

Etat des lieux

Actuellement dans le monde, environ 99% des ATES se classent dans la catégorie des LT-ATES (Fig. 1 du slider ci-dessous). Ces systèmes sont très bien implantés au Pays-Bas et de plus en plus de pays commencent à s’intéresser à cette technologie novatrice (Fig. 2 du slider).
Il existe donc un fort potentiel pour l’implantation de tels systèmes (Fig. 3 du slider) en France et donc , marge de progression importante dans les années à venir.