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Le sous-sol, un énorme réservoir de stockage chaud

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Le sous-sol, un énorme réservoir de stockage chaud

Qu’il soit superficiel ou, plus profondément, au sein de nappes aquifères, le stockage souterrain constitue un très bon moyen de mettre en adéquation production et besoins de chaleur.

Il existe de nombreuses sources de chaleur disponibles qui, faute de débouchés (en période estivale notamment), sont inutilisées. C’est le cas par exemple des installations solaires thermiques assurant à la fois production d’eau chaude sanitaire et chauffage (systèmes solaires combinés) à l’échelle d’un logement, ou des unités d’incinération d’ordures ménagères à l’échelle d’un quartier, voire d’une commune.

Disposer de moyens de stockage permettrait de ne pas dilapider cette chaleur disponible et de résoudre cette inadéquation entre le moment où celle-ci est produite et celui où les utilisateurs en auraient besoin. De plus, la possibilité de stocker la chaleur a pour autre avantage de pallier les aléas de production propres aux systèmes ayant recours à une énergie renouvelable intermittente, tel le solaire thermique.

Stockage saisonnier

Utilisé comme « source froide » pour faire fonctionner les pompes à chaleur, le sous-sol est en lui-même un possible « réservoir » de stockage. Même si l’on parle à son endroit de stockage à « faible densité énergétique », comme l’explique Romain Vernier, responsable de la division Géothermie du BRGM (Bureau des ressources géologiques et minières) : « Dans le cas du stockage souterrain, on ne peut travailler que sur la chaleur sensible, contrairement à d’autres méthodes de stockage, permettant de tirer parti de la chaleur latente, tels les matériaux à changement de phase. Ces derniers ont, de fait, une densité énergétique plus grande. Mais en contrepartie, le sous-sol offre un volume de stockage plus important ».
Le stockage de chaleur dans les couches superficielles du sous-sol fera intervenir des techniques également utilisées en géothermie, tels les sondes verticales ou les capteurs horizontaux. À tel point que la frontière entre géothermie et stockage d’énergie thermique peut apparaître floue : « Lorsqu’on a recours à une pompe à chaleur géothermique, explique Romain Vernier, le prélèvement de calories conduit à un refroidissement du sous-sol en hiver, mais d’une certaine manière, c’est également le moyen de préparer la saison estivale, puisqu’on disposera alors d’une source pour assurer le rafraîchissement (en inversant le cycle de la Pac, NDLR). Et de la même façon, l’utilisation du sous-sol en été va conduire à réchauffer celui-ci, en prévision du prochain hiver. Il est donc plus vertueux de satisfaire à la fois les besoins en chaud et en froid d’un même bâtiment, afin de gérer ce stock de manière satisfaisante. Il faut pour cela que ces besoins soient équilibrés ».
Car le non-respect de cet équilibre conduit à une dégradation du sous-sol (qui peut geler en hiver sous l’effet d’une sollicitation trop importante). Dans l’idéal, la température autour de la sonde géothermique doit être de l’ordre de 5 °C en hiver et peut aller jusqu’à 25 °C en été. Cette relative stabilité des températures est primordiale dans le cas où le bâtiment est équipé de fondations géothermiques, sous peine de nuire à leur tenue mécanique. Pour bien dimensionner ce type de système (nombre et longueur des sondes géothermiques, dimension des panneaux solaires ou puissance nominale de la Pac), mieux vaut solliciter les services d’un bureau d’études ayant la double compétence « fluides » et « sous-sol », capable de réaliser des simulations, indispensables pour se prémunir contre les dérives de températures.

Réseaux de chaleur : des réservoirs géants

Le stockage de chaleur est également envisageable en géothermie dite « basse énergie », qui tire parti de la chaleur des nappes aquifères présentes à plusieurs centaines de mètres de profondeur dans quelques régions de France. Richement pourvue en la matière, l’Ile-de-France compte une trentaine de centrales géothermiques puisant dans la nappe du Dogger, à 1700 mètres de profondeur, dont l’eau est à une température moyenne de 75°C. Les puits de ces centrales, qui développent chacun une puissance thermique de l’ordre de 10 MW, sont tous associés à un réseau de chauffage urbain. L’idée est d’utiliser ces réseaux comme de gigantesques réservoirs de stockage de chaleur, en injectant, par l’intermédiaire des puits, la chaleur fatale d’unités d’incinération. Cette chaleur excédentaire, généralement perdue en été, pourrait ainsi être mise à profit lors de l’hiver suivant.
Un bon moyen d’augmenter encore la puissance calorifique d’un puits géothermique, mais dans une certaine limite : « Il serait déraisonnable de réinjecter de l’eau à des températures comprises entre 120 et 130 °C, sous peine de modifier la structure géologique du sous-sol, prévient Romain Vernier. En revanche, réinjecter à 95 °C ne présente pas de risque ».
L’autre avantage de cette technique est d’allonger la durée de vie du puits en ralentissant le phénomène de « bulle froide », c’est-à-dire le refroidissement de la nappe autour du site de réinjection. Enfin, ce réchauffement de la nappe autorise d’envisager la création de nouveaux doublets géothermiques, car pour ce qui concerne l’Ile-de-France, la saturation est proche, « notamment dans le Val-de-Marne, où les limites en terme de densité d’exploitation sont proches d’être atteintes », souligne Romain Vernier. Cette voie a été explorée avec la commune d’Ivry-sur-Seine (94) dans le cadre du projet de recherche Géostocal, mené par l’ANR. Mais le projet n’a finalement pas donné lieu à une réalisation : « Son modèle économique était un peu fragile, puisqu’il reposait sur le creusement de trois puits au Dogger, explique Bruno Vinatier, responsable du service Développement de la Compagnie parisienne de chauffage urbain (CPCU), membre de ce projet. Alors que les projets de géothermie profonde se contentent habituellement de deux puits. En effet, l’apport spécifique de chaleur excédentaire de récupération de l’UIOM (Unité d’incinération d’ordures ménagères, NDLR) stockée pendant l’été pour être valorisée pendant l’hiver, était insuffisant pour être économiquement compétitif face à un « simple » doublet géothermique, dans un contexte où l’attribution de subventions publiques est devenue parcimonieuse ». La CPCU a toutefois tiré les enseignements de ce programme de recherche et a appliqué le concept en créant au nord-est de Paris, sur la ZAC Claude-Bernard (200 hectares) près de la Porte d’Aubervilliers, une centrale thermofrigorifique alimentée par un nouveau doublet géothermique puisant dans la nappe du Dogger à 1 800 m de profondeur. Réalisée avec le concours de la société Climespace, filiale de GDF Suez, cette centrale de 100 MW, qui comprend des thermo- frigopompes, produira à la fois chaleur et rafraîchissement pour l’ensemble des bâtiments de la ZAC Claude-Bernard (logements, locaux tertiaires), dans la limite d’un million de mètres carrés.
La chaleur émise par les thermofrigopompes, chargées de produire le froid, sera récupérée sur le réseau et réinjectée dans la nappe du Dogger, en prévision du prochain hiver. La centrale de la ZAC Claude-Bernard est actuellement en cours de mise en service.

N°324

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