FR3070064A1 - METHOD FOR STORING AND GENERATING HEAT ENERGY IN PERMEABLE GEOLOGICAL FORMATIONS - Google Patents
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Abstract
Le procédé de stockage et de production d'énergie thermique comporte les étapes suivantes : - choix d'un dispositif utilisateur comportant des excédents d'énergie thermique supérieurs aux demandes en utilisation thermique, et choix d'un milieu aquifère (14) contenant un fluide caloporteur ; - détermination d'une implantation dans le milieu aquifère (14) d'un ou plusieurs ouvrage(s) non réversible(s) permettant d'assurer l'injection d'énergie thermique et la production d'énergie thermique, et conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle (18) entre les lieux d'injection et de production, le volume ainsi matérialisé étant le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère (14) ; - mise en place d'au moins un ouvrage (10, 12) selon l'implantation déterminée ; - définition d'un processus comprenant un ensemble de cycles, chaque cycle comprenant au moins une étape de production d'énergie thermique et au moins une étape de stockage d'énergie thermique, le processus permettant de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d'énergie thermique à produire et aux quantités d'énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l'énergie thermique à produire ; et - production de fluide caloporteur et injection de ce même fluide caloporteur selon le processus défini à l'étape précédente.The method for storing and producing thermal energy comprises the following steps: selecting a user device that has surpluses of thermal energy that are greater than the demands in thermal use, and choosing an aquifer medium containing a fluid. coolant; - determination of an implantation in the aquifer medium (14) of one or more non-reversible structure (s) to ensure the injection of thermal energy and the production of thermal energy, and designed so to set up a preferential circulation of the coolant in a generally unidirectional direction (18) between the injection and production sites, the volume thus materialized being the heat exchange seat between the coolant and the aquifer medium (14) ; placing at least one structure (10, 12) according to the determined implantation; - Definition of a process comprising a set of cycles, each cycle comprising at least one step of producing thermal energy and at least one step of storing thermal energy, the process making it possible to maintain the thermal properties of the exchange volume. in a given temperature range, this volume corresponding to the quantities of thermal energy to be produced and to the quantities of thermal energy regularly stored therein in anticipation or compensation of the thermal energy to be produced; and - production of coolant and injection of the same heat transfer fluid according to the process defined in the previous step.
Description
Le procédé de stockage et de production d'énergie thermique comporte les étapes suivantes:The thermal energy storage and production process includes the following steps:
- choix d'un dispositif utilisateur comportant des excédents d'énergie thermique supérieurs aux demandes en utilisation thermique, et choix d'un milieu aquifère (14) contenant un fluide caloporteur;- Choice of a user device comprising excess thermal energy greater than the demand for thermal use, and choice of an aquifer medium (14) containing a heat transfer fluid;
- détermination d'une implantation dans le milieu aquifère (14) d'un ou plusieurs ouvrage(s) non réversible(s) permettant d'assurer l'injection d'énergie thermique et la production d'énergie thermique, et conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle (18) entre les lieux d'injection et de production, le volume ainsi matérialisé étant le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère (14);- determination of an implantation in the aquifer environment (14) of one or more non-reversible structure (s) allowing the injection of thermal energy and the production of thermal energy, and designed so to set up a preferential circulation of the heat transfer fluid in a generally unidirectional direction (18) between the places of injection and production, the volume thus materialized being the seat of heat exchange between the heat transfer fluid and the aquifer medium (14) ;
- mise en place d'au moins un ouvrage (10, 12) selon l'implantation déterminée;- placement of at least one structure (10, 12) depending on the location determined;
- définition d'un processus comprenant un ensemble de cycles, chaque cycle comprenant au moins une étape de production d'énergie thermique et au moins une étape de stockage d'énergie thermique, le processus permettant de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d'énergie thermique à produire et aux quantités d'énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l'énergie thermique à produire; etdefinition of a process comprising a set of cycles, each cycle comprising at least one step of producing thermal energy and at least one step of storing thermal energy, the process making it possible to maintain the thermal properties of the exchange volume in a given temperature range, this volume corresponding to the quantities of thermal energy to be produced and to the quantities of thermal energy which are regularly stored there in anticipation or in compensation for the thermal energy to be produced; and
- production de fluide caloporteur et injection de ce même fluide caloporteur selon le processus défini à l'étape précédente.- production of heat transfer fluid and injection of this same heat transfer fluid according to the process defined in the previous step.
L’invention concerne le stockage et la production d’énergie thermique dans les milieux géologiques à perméabilité et porosité suffisantes pour présenter une capacité de stockage significative du fait de la présence d’eau, tels que, mais pas uniquement, les formations aquifères.The invention relates to the storage and production of thermal energy in geological media with sufficient permeability and porosity to present a significant storage capacity due to the presence of water, such as, but not only, aquifer formations.
On appelle « formation aquifère » une structure géomorphologique constituée de roches perméables renfermant de l'eau, de façon temporaire ou permanente, et apte à restituer cette eau naturellement et/ou par exploitation. On différencie usuellement :The term “aquifer formation” refers to a geomorphological structure made up of permeable rocks containing water, temporarily or permanently, and capable of restoring this water naturally and / or by exploitation. We usually differentiate:
- Les formations aquifères à nappe libre surmontées de terrains perméables et disposant d'une surface piézométrique libre et d'une zone non saturée.- Aquifers with free aquifers surmounted by permeable soils and having a free piezometric surface and an unsaturated zone.
- Les formations aquifères artésiennes dont la surface piézométrique est située audessus de la surface du sol.- Artesian aquifer formations whose piezometric surface is located above the ground surface.
- Les formations aquifères captives intercalées entre deux formations quasi imperméables.- Captive aquifer formations interspersed between two almost impermeable formations.
- Les formations aquifères semi-captives surmontées d'une couche semiperméable relativement mince et/ou surmontant une telle couche à travers laquelle l'eau peut pénétrer dans la formation aquifère ou en sortir.- Semi-captive aquifer formations surmounted by a relatively thin semipermeable layer and / or surmounting such a layer through which water can enter or leave the aquifer formation.
On différencie usuellement :We usually differentiate:
- les capacités de stockage d’eau dans lesquelles l’eau circule naturellement à relativement faible vitesse et étant propices au stockage d’énergie thermique,- the water storage capacities in which the water circulates naturally at relatively low speed and being suitable for the storage of thermal energy,
- les capacités de stockage d’eau dans lesquelles l’eau circule naturellement à relativement grande vitesse et n’étant donc pas particulièrement propice au stockage d’énergie thermique, c’est à dire lorsque l’énergie thermique est transportée sous l’effet de la circulation naturelle de l’eau à une distance telle que l’énergie thermique stockée ne peut pas être récupérée de manière efficace et économique.- the water storage capacities in which the water circulates naturally at relatively high speed and therefore not being particularly conducive to the storage of thermal energy, that is to say when the thermal energy is transported under the effect from the natural circulation of water at a distance such that the stored thermal energy cannot be recovered efficiently and economically.
- les capacités de stockage d’eau creusées ou formées dans les espaces souterrains, soit du fait de phénomènes naturels, soit obtenues, totalement ou partiellement du fait de l’action de l’homme.- the water storage capacities dug or formed in underground spaces, either due to natural phenomena, or obtained, totally or partially due to human action.
Les formations aquifères et capacités de stockage d’eau propices au stockage d’énergie thermique ne recouvrent qu’une fraction du globe et on peut remarquer que, en règle générale, les formations aquifères profondes, c’est-à-dire au-delà de quelques dizaines ou centaines de mètres de profondeur, bénéficient d’une vitesse de circulation plus lente que les formations aquifères plus proches de la surface.The aquifers and water storage capacities suitable for thermal energy storage cover only a fraction of the globe and it can be noted that, as a general rule, deep aquifers, that is to say beyond a few tens or hundreds of meters deep, benefit from a slower circulation speed than aquifers closer to the surface.
Dès lors que la vitesse de circulation est jugée acceptable, une formation aquifère peut présenter un intérêt pour le stockage périodique, voire inter-saisonnier, d’énergie thermique ; la condition étant toutefois que le système potentiellement utilisateur de cette énergie thermique, appelé ci-après « dispositif utilisateur », soit localisé à une distance suffisamment proche pour que cela soit économique.As soon as the circulation speed is deemed acceptable, an aquifer formation can be of interest for the periodic, even inter-seasonal, storage of thermal energy; the condition however being that the system potentially using this thermal energy, hereinafter called "user device", is located at a distance close enough for it to be economical.
Parmi les dispositifs utilisateurs, peuvent être comptabilisés les systèmes de chauffage et de rafraîchissement, pour le confort thermique des bâtiments aussi bien que, plus généralement, pour tout processus thermique, notamment agricole ou industriel, y compris ceux produisant de la force mécanique ou de l’électricité.Among the user devices can be counted heating and cooling systems, for the thermal comfort of buildings as well as, more generally, for any thermal process, in particular agricultural or industrial, including those producing mechanical force or 'electricity.
A ce jour, ces formations aquifères peuvent faire l’objet d’une exploitation géothermique via des dispositifs fonctionnant en boucle ouverte ou via des échangeurs géothermiques en boucle fermée, c’est à dire un dispositif géothermique qui utilise un fluide caloporteur, pouvant être de l’eau, qui circule dans des conduites étanches implantées dans les formations, aquifères ou non. Un dispositif géothermique en boucle ouverte utilise l’eau contenue dans la formation aquifère comme fluide caloporteur ; lequel fluide caloporteur est pompé jusqu’à des moyens localisés en surface où il transmet son énergie thermique au dispositif utilisateur via un équipement approprié avant d’être réintroduit dans le milieu naturel. D’une manière générale, tous ces dispositifs géothermiques en boucle ouverte disposent de moyens de pompage de l’eau et de moyens de réinjection de l’eau dans le niveau aquifère d’origine. Cette réinjection de l’eau est une disposition essentielle qui permet, notamment, d’éviter que le niveau aquifère concerné ne se vide de son eau et que les équilibres hydrogéologiques, et aussi géochimiques, soient perturbés au point de remettre en cause l’intérêt énergétique, économique et environnemental de l’exploitation.To date, these aquifer formations can be subject to geothermal exploitation via devices operating in open loop or via geothermal exchangers in closed loop, that is to say a geothermal device which uses a heat transfer fluid, which can be of water, which circulates in watertight pipes located in the formations, aquifers or not. An open loop geothermal system uses the water contained in the aquifer as a heat transfer fluid; which heat transfer fluid is pumped to means located on the surface where it transmits its thermal energy to the user device via appropriate equipment before being reintroduced into the natural environment. In general, all of these open-loop geothermal devices have means for pumping water and means for re-injecting water into the original aquifer level. This re-injection of water is an essential provision which makes it possible, in particular, to prevent the aquifer level concerned from emptying of its water and that the hydrogeological, and also geochemical equilibria, be disturbed to the point of calling into question the interest energy, economic and environmental of the exploitation.
A titre d’illustration, le volume puisé et réinjecté chaque saison par une telle exploitation géothermique qui fonctionne continûment pendant 4 000 heures avec un débit de 250 m3/h pour fournir de l’énergie thermique pour du chauffage représente 1 million de mètres cube d’eau ; laquelle eau est réinjectée dans la formation aquifère à une température plus basse que la température de l’eau puisée. De la sorte, autour du point de réinjection de l’eau ainsi refroidie, se constitue un volume refroidi considérable qui va progressivement croître au fil des années, majoritairement selon une extension horizontale dont l’épaisseur est voisine de celle de la formation aquifère. Il est alors généralement constaté, par exemple après l’arrêt d’une exploitation, que la résorption du volume refroidi n’est que de moitié après plusieurs décennies et peut mettre plus d’un siècle avant de pouvoir considérer que l’impact thermique résiduel est devenu négligeable.By way of illustration, the volume drawn and reinjected each season by such a geothermal operation which operates continuously for 4,000 hours with a flow rate of 250 m 3 / h to provide thermal energy for heating represents 1 million cubic meters water; which water is reinjected into the aquifer at a temperature lower than the temperature of the water drawn. In this way, around the point of reinjection of the water thus cooled, a considerable cooled volume is formed which will gradually increase over the years, mainly along a horizontal extension whose thickness is close to that of the aquifer formation. It is then generally observed, for example after the end of an operation, that the absorption of the cooled volume is only half after several decades and can take more than a century before being able to consider that the residual thermal impact has become negligible.
Aussi, les architectures conventionnelles des ouvrages pour exploiter les ressources géothermiques dans les formations aquifères sont usuellement calculées pour faire en sorte que ce volume refroidi ne vienne pas perturber la température de l’eau pompée avant une trentaine d’années, voire une quarantaine d’années. L’occurrence de cette perturbation est usuellement désignée sous la dénomination : percée thermique. La seule solution technique disponible aujourd’hui consiste à espacer les points d’impact des ouvrages de pompage et de réinjection au niveau de la formation aquifère exploitée. De ce fait, le volume perturbé par l’installation géothermique est grand. Dans tout ce volume, aucune autre exploitation, sans distinction d’usage, ne pourra être envisagée au risque d’interférer fortement avec telle opération géothermique.Also, the conventional architectures of works to exploit geothermal resources in aquifers are usually calculated to ensure that this cooled volume does not come to disturb the temperature of the water pumped before thirty years, even forty years. The occurrence of this disturbance is usually designated under the name: thermal breakthrough. The only technical solution available today is to space the impact points of the pumping and reinjection works at the level of the aquifer formation being exploited. As a result, the volume disturbed by the geothermal installation is large. Throughout this volume, no other exploitation, without distinction of use, can be envisaged at the risk of strongly interfering with such geothermal operation.
Pour cette raison notamment, il peut être essentiel de mettre en œuvre des moyens pour limiter les impacts volumiques, en particulier des moyens de stockage d’énergie thermique dans la formation sollicitée.For this reason in particular, it may be essential to implement means for limiting the volume impacts, in particular means for storing thermal energy in the formation requested.
On connaît déjà une méthode de stockage géothermique, notamment adapté à la technique du « doublet géothermique », dont le mode de fonctionnement est schématisé sur la figure 1. Cette méthode de stockage consiste à ménager au moins deux volumes 1, 2, à savoir un volume 1, au moins, dont la température est augmentée vis-à-vis de la température non perturbée de l’encaissant 3 (stock thermique « chaud ») et un volume 2, au moins, pour lequel la température vis-à-vis de ce même encaissant 3 est abaissée (stock thermique « frais »). Cette technique met en général en jeu deux puits non représentés équipés chacun d’une canalisation pour l’injection 4, 6 du fluide caloporteur constitué par l’eau de la formation et pour le pompage 5, 7 de ce même fluide, ainsi que de moyens de pompage 8, 9 réversibles. Le principe du fonctionnement est alors alternatif :A geothermal storage method is already known, in particular adapted to the “geothermal doublet” technique, the mode of operation of which is shown diagrammatically in FIG. 1. This storage method consists in providing at least two volumes 1, 2, namely a volume 1, at least, the temperature of which is increased with respect to the undisturbed temperature of the container 3 ("hot" thermal stock) and volume 2, at least, for which the temperature with respect to of this same box 3 is lowered (“fresh” thermal stock). This technique generally involves two wells, not shown, each equipped with a pipe for the injection 4, 6 of the heat transfer fluid constituted by the water of the formation and for pumping 5, 7 of this same fluid, as well as pumping means 8, 9 reversible. The operating principle is then alternative:
1. Dans un premier temps, l’eau du stock thermique « frais » 2 est pompée pour être réchauffée à partir d’une source extérieure non représentée avant d’être réinjectée dans le stock thermique « chaud » 1.1. Firstly, the water in the "fresh" thermal stock 2 is pumped to be heated from an external source not shown before being reinjected into the "hot" thermal stock 1.
2. Dans un second temps, l’eau du stock thermique « chaud » 1 est pompée avant d’être réinjectée dans le stock thermique « frais » 2 après avoir cédé sa chaleur à un dispositif extérieur non représenté.2. In a second step, the water from the "hot" thermal stock 1 is pumped before being reinjected into the "fresh" thermal stock 2 after having transferred its heat to an external device, not shown.
3. Le processus est ensuite reconduit à l’infini selon une durée du cycle conforme à l’usage, par exemple saisonnière.3. The process is then repeated ad infinitum according to a duration of the cycle in accordance with usage, for example seasonal.
On connaît également du document FR2950957 une méthode de stockage souterrain d'énergie thermique par un fluide caloporteur suivant les étapes suivantes :Document FR2950957 also discloses a method of underground storage of thermal energy by a heat transfer fluid according to the following steps:
- on dispose un puits d'injection du fluide interceptant une première zone d'un réservoir géologique,- there is a fluid injection well intercepting a first zone of a geological reservoir,
- on dispose un puits de production du fluide interceptant une deuxième zone dudit réservoir géologique,- there is a fluid production well intercepting a second zone of said geological reservoir,
- on établit une circulation du fluide entre les première et deuxième zone,- a circulation of the fluid is established between the first and second zones,
- on contrôle les conditions de circulation du fluide caloporteur pour que la production de fluide caloporteur soit sensiblement synchrone avec une demande déterminée d'énergie thermique.- We control the circulation conditions of the heat transfer fluid so that the production of heat transfer fluid is substantially synchronous with a determined demand for thermal energy.
Ce document FR2950957 décrit un stockage souterrain inter-saisonnier, qui consiste à stocker l'énergie thermique (chaude ou froide) dans un aquifère en période d'excédent de production par rapport aux besoins, et à récupérer cette même énergie la saison suivante, lorsque la production est en déficit par rapport à la demande. Autrement dit, le cycle de cette installation ne permet une exploitation de la chaleur qu’en saison hivernale, alors que dans l’autre partie du cycle, l’exploitation ne fonctionne que pour procéder à un stockage de chaleur afin de permettre à nouveau une exploitation de la chaleur durant la saison hivernale suivante.This document FR2950957 describes an inter-seasonal underground storage, which consists in storing thermal energy (hot or cold) in an aquifer during periods of excess production over needs, and recovering this same energy the following season, when production is in deficit compared to demand. In other words, the cycle of this installation only allows heat to be exploited in the winter season, while in the other part of the cycle, the exploitation only works to carry out heat storage in order to once again allow exploitation of heat during the following winter season.
L’invention a pour but de fournir une méthode alternative de stockage d’énergie thermique, fonctionnant indépendamment des cycles saisonniers.The object of the invention is to provide an alternative method of thermal energy storage, operating independently of seasonal cycles.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de stockage et de production d’énergie thermique (en milieu aquifère), le procédé comportant les étapes suivantes :To this end, the invention relates to a process for the storage and production of thermal energy (in an aquifer), the process comprising the following steps:
- choix d’un dispositif utilisateur comportant des excédents d’énergie thermique supérieurs aux demandes en utilisation thermique, et choix d’un milieu aquifère contenant un fluide caloporteur ;- choice of a user device comprising excess thermal energy greater than the demand for thermal use, and choice of an aquifer medium containing a heat transfer fluid;
- détermination d’une implantation dans le milieu aquifère d’un ou plusieurs ouvrage(s) non réversible(s) permettant d’assurer l’injection d’énergie thermique et la production d’énergie thermique, et conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle entre les lieux d’injection et de production, le volume ainsi matérialisé étant le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère ;- determination of an implantation in the aquifer of one or more non-reversible structure (s) allowing the injection of thermal energy and the production of thermal energy, and designed so as to places a preferential circulation of the heat transfer fluid in a generally unidirectional direction between the places of injection and of production, the volume thus materialized being the seat of heat exchanges between the heat transfer fluid and the aquiferous medium;
- mise en place d’au moins un ouvrage selon l’implantation déterminée ;- installation of at least one structure according to the determined location;
- définition d’un processus comprenant un ensemble de cycles, chaque cycle comprenant au moins une étape de production d’énergie thermique et au moins une étape de stockage d’énergie thermique, le processus permettant de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d’énergie thermique à produire et aux quantités d’énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l’énergie thermique à produire ; etdefinition of a process comprising a set of cycles, each cycle comprising at least one step of producing thermal energy and at least one step of storing thermal energy, the process making it possible to maintain the thermal properties of the exchange volume in a given temperature range, this volume corresponding to the quantities of thermal energy to be produced and to the quantities of thermal energy which are regularly stored there in anticipation or in compensation for the thermal energy to be produced; and
- production de fluide caloporteur et injection de ce même fluide caloporteur selon le processus défini à l’étape précédente.- production of heat transfer fluid and injection of the same heat transfer fluid according to the process defined in the previous step.
On entend par « circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle » une circulation ne changeant jamais de sens entre les lieux d’injection et de production.The term "preferential circulation of the heat transfer fluid in a generally unidirectional direction" means a circulation which never changes direction between the places of injection and of production.
On entend par « ouvrage non réversible » un ouvrage dans lequel le sens de circulation du fluide caloporteur dans ledit ouvrage n’est pas réversible, c’est à dire n’ayant pas à disposer d’équipement réversible de pompage.The term “non-reversible structure” means a structure in which the direction of circulation of the heat-transfer fluid in said structure is not reversible, that is to say that it does not have to have reversible pumping equipment.
Dans les zones fortement urbanisées ou industrialisées, il est intéressant de raccorder des usagers pouvant être aussi bien consommateurs que producteurs puisque les rejets thermiques des uns peuvent représenter une ressource pour d’autres et inversement ; cela à la condition de savoir stocker temporairement les énergies excédentaires en attente de la demande d’un usager.In highly urbanized or industrialized areas, it is interesting to connect users who can be both consumers and producers since the thermal discharges of some can represent a resource for others and vice versa; this on condition of being able to temporarily store excess energies pending the request of a user.
Autrement dit, une énergie fatale, quelle que soit son origine, n’a plus à être considérée comme perdue dès lors que la proximité des producteurs et des usagers rend cette récupération appropriée, y compris en concurrence ou en combinaison avec des ressources renouvelables comme, par exemple, le solaire thermique ou tout autre source.In other words, a fatal energy, whatever its origin, no longer has to be considered lost since the proximity of producers and users makes this recovery appropriate, including in competition or in combination with renewable resources such as, for example, thermal solar or any other source.
Le procédé selon l’invention permet de stocker temporairement ces énergies excédentaires. En outre, du fait que les excédents thermiques peuvent être supérieurs ou inférieurs aux demandes en utilisation thermique, le procédé n’impose pas que la production de fluide caloporteur soit synchrone avec une demande déterminée d’énergie thermique.The method according to the invention temporarily stores these excess energies. In addition, since the thermal surpluses can be greater or less than the demands for thermal use, the process does not require that the production of heat-transfer fluid be synchronous with a determined demand for thermal energy.
Le procédé de stockage et de production d’énergie thermique peut en outre comporter l’une ou l’autre des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.The process for storing and producing thermal energy can also include any of the following characteristics, taken alone or in combination.
- Le milieu aquifère est choisi dans le voisinage du dispositif utilisateur, c’est-à-dire qu’il est suffisamment proche du dispositif utilisateur pour que le procédé puisse être mis en œuvre sans nécessiter une consommation excessive d’énergie. L’homme du métier saura déterminer un tel milieu dans le voisinage du dispositif utilisateur, notamment, en fonction de la température du fluide caloporteur et de la qualité des conduites. En effet, plus le milieu aquifère sera éloigné du dispositif utilisateur, et plus les dépenses énergétiques pour faire circuler le fluide pourront être importantes de même que les pertes thermiques ; la détermination par l’homme du métier a donc en cela une dimension économique, notamment dépendante de la localisation, et ne peut donc être précisée d’avantage.- The aquifer medium is chosen in the vicinity of the user device, that is to say it is close enough to the user device so that the method can be implemented without requiring excessive energy consumption. A person skilled in the art will be able to determine such a medium in the vicinity of the user device, in particular, as a function of the temperature of the heat transfer fluid and of the quality of the pipes. In fact, the further the aquifer environment is from the user device, the greater the energy expenditure for circulating the fluid, as well as the thermal losses; determination by a person skilled in the art therefore has an economic dimension in this, in particular depending on the location, and cannot therefore be specified further.
Le processus est répété, ou peut être répété, plusieurs fois dans une même saison.The process is repeated, or can be repeated, several times in the same season.
- La détermination de l’implantation d’un ou plusieurs ouvrage(s) non réversible(s) résulte de la caractérisation de la perméabilité et de la porosité des roches de la formation aquifère, et de la vitesse naturelle de l’écoulement de l’eau dans la formation aquifère, et comporte la définition en conséquence de l’emplacement du ou des ouvrage(s) et de la distance entre les ouvrages lorsqu’ils sont plusieurs.- The determination of the location of one or more non-reversible structure (s) results from the characterization of the permeability and porosity of the rocks of the aquifer formation, and the natural speed of the flow of the in the aquifer, and includes the corresponding definition of the location of the structure (s) and the distance between the structures when there are several.
- Lors de la définition du processus, on détermine globalement les débit et température du fluide caloporteur à réinjecter, leurs possibles variations, cycliques ou non, en fonction du fluide caloporteur à pomper selon son débit imposé par les moyens de pompage et sa température.- When defining the process, the flow and temperature of the heat transfer fluid to be reinjected are generally determined, their possible variations, cyclic or not, as a function of the heat transfer fluid to be pumped according to its flow rate imposed by the pumping means and its temperature.
- On détermine l’implantation dans le milieu aquifère d’un unique ouvrage.- We determine the location in the aquifer of a single structure.
- On détermine l’implantation dans le milieu aquifère de deux ouvrages.- We determine the location in the aquifer of two structures.
- On détermine globalement les températures et débits du fluide caloporteur afin de correspondre aux cycles de demandes et d’excédents ou productions en énergie thermique d’un dispositif utilisateur.- The temperatures and flow rates of the heat transfer fluid are globally determined in order to correspond to the cycles of requests and surpluses or productions in thermal energy of a user device.
Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemple non limitatif et à l’appui des figures annexées sur lesquelles :We will now present embodiments of the invention given by way of nonlimiting example and with the support of the appended figures in which:
- la figure 1 est une représentation schématique de la méthode connue de stockage d’énergie thermique en aquifère exploitant un doublet géothermique classique selon l’état actuel de la technique et exposée plus avant,FIG. 1 is a schematic representation of the known method of storing thermal energy in an aquifer exploiting a conventional geothermal doublet according to the current state of the art and explained further on,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un système de stockage selon l’invention exploitant en l’adaptant la technique du doublet géothermique,FIG. 2 is a schematic representation of a storage system according to the invention which exploits by adapting the geothermal doublet technique,
- la figure 3 est une représentation schématique d’un système de stockage selon l’invention exploitant en l’adaptant la technique géothermique du monopuits.- Figure 3 is a schematic representation of a storage system according to the invention exploiting by adapting the geothermal technique of the single well.
On a représenté sur la figure 2 un premier mode de réalisation de l’invention, exploitant un doublet géothermique. Cette figure représente un système comportant deux ouvrages 10, 12, non réversibles, c’est-à-dire équipés sans moyens réversibles de pompage, et implantés dans un milieu aquifère dont une partie 14 est représentée. Le milieu aquifère contient un fluide caloporteur. A proximité du milieu aquifère, est présent un dispositif utilisateur, non représenté, pour lequel des excédents thermiques existent au regard des demandes en utilisation thermique. Lun des ouvrages 10 est équipé de moyens 16 pour le pompage du fluide caloporteur afin d’alimenter le dispositif utilisateur ; ces moyens, ci-après dits de pompage unidirectionnel, ne sont pas réversibles. L’autre ouvrage 12 est équipé afin de constituer une canalisation pour l’injection du fluide caloporteur à partir du (ou des) dispositif(s) utilisateur(s) en énergie thermique, d’autres dispositifs utilisateurs excédentaires en énergie thermique ou à partir d’autres sources d’énergie thermique, par exemple renouvelables.FIG. 2 shows a first embodiment of the invention, using a geothermal doublet. This figure represents a system comprising two works 10, 12, non-reversible, that is to say equipped without reversible pumping means, and implanted in an aquiferous medium of which a part 14 is shown. The aquifer contains a heat transfer fluid. Near the aquifer, there is a user device, not shown, for which thermal surpluses exist in relation to the demands for thermal use. One of the works 10 is equipped with means 16 for pumping the heat transfer fluid in order to supply the user device; these means, hereinafter called unidirectional pumping, are not reversible. The other structure 12 is equipped in order to constitute a pipe for the injection of the heat transfer fluid from the user device (s) in thermal energy, other user devices in excess in thermal energy or from other sources of thermal energy, for example renewable.
Dans le procédé de stockage et de production d’énergie thermique illustré sur cette figure, on procède tout d’abord au choix du dispositif utilisateur qui comporte des excédents d’énergie thermique disponibles supérieurs aux demandes en utilisation thermique dans le même temps, et au choix du milieu aquifère contenant un fluide caloporteur. Dans ce mode de réalisation, le milieu aquifère est choisi dans le voisinage du dispositif utilisateur.In the process for storing and producing thermal energy illustrated in this figure, the user device is first chosen, which has available excess thermal energy greater than the demands for thermal use at the same time, and the choice of aquifer containing a heat transfer fluid. In this embodiment, the aquifer medium is chosen in the vicinity of the user device.
On détermine ensuite l’implantation dans le milieu aquifère des deux ouvrages 10, 12, non réversibles. Les deux ouvrages 10, 12, permettent, sans inverser le sens de la circulation du fluide caloporteur, d’assurer l’injection d’énergie thermique, dans ce cas particulier l’injection des excédents d’énergie thermique à stocker et la production d’énergie thermique. En effet, l’un des ouvrages 12 permet l’injection et l’autre 10 permet la production. Les deux ouvrages 10, 12, sont conçus de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle représentée par la flèche 18, entre les lieux d’injection, par l’intermédiaire de la canalisation d’injection, et de production, par l’intermédiaire de la canalisation de pompage. Le volume 14 ainsi matérialisé est le siège d'échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le milieu aquifère. Dans l’exemple de la figure 2, la direction 18 de circulation du fluide caloporteur est horizontale. Son sens de circulation ne change jamais. Il est toujours depuis l’ouvrage d’injection 12 vers l’ouvrage de puisage 10 et de production. On met ensuite en place les deux ouvrages 10, 12, selon l’implantation déterminée.We then determine the location in the aquifer of the two non-reversible structures 10, 12. The two structures 10, 12 allow, without reversing the direction of circulation of the heat transfer fluid, to ensure the injection of thermal energy, in this particular case the injection of excess thermal energy to be stored and the production of 'thermal energy. One of the works 12 allows injection and the other 10 allows production. The two structures 10, 12 are designed so as to set up a preferential circulation of the heat-transfer fluid in a generally unidirectional direction represented by the arrow 18, between the injection sites, via the injection pipe, and production, via the pumping pipeline. The volume 14 thus materialized is the seat of heat exchange between the heat transfer fluid and the aquifer environment. In the example of FIG. 2, the direction 18 of circulation of the heat transfer fluid is horizontal. Its direction of movement never changes. It is still from the injection structure 12 to the extraction and production structure 10. The two structures 10, 12 are then put in place, depending on the location determined.
On définit également un processus comprenant un ensemble de cycles. Chaque cycle comprend au moins une étape de production d’énergie thermique et au moins une étape de stockage d’énergie thermique. Le processus peut avoir une durée correspondant à un cycle saisonnier ou, avec avantage, le processus peut être reconduit plusieurs fois durant un cycle saisonnier ; cela de manière à permette de maintenir les propriétés thermiques du volume d'échange dans une gamme de température donnée, ce volume correspondant aux quantités d’énergie thermique à produire et aux quantités d’énergie thermique qui y sont régulièrement stockées en prévision ou en compensation de l’énergie thermique à produire.We also define a process comprising a set of cycles. Each cycle includes at least one step of producing thermal energy and at least one step of storing thermal energy. The process can have a duration corresponding to a seasonal cycle or, advantageously, the process can be repeated several times during a seasonal cycle; this so as to maintain the thermal properties of the exchange volume in a given temperature range, this volume corresponding to the quantities of thermal energy to be produced and to the quantities of thermal energy which are regularly stored there in anticipation or compensation of the thermal energy to be produced.
On produit enfin le fluide caloporteur et on l’injecte selon le processus défini ci-avant.Finally, the heat transfer fluid is produced and injected according to the process defined above.
Dans ce mode de réalisation, il y a une alternance des injections d’énergie thermique dont le cumul correspond globalement aux puisages d’énergie thermique. Ce procédé a un fonctionnement pouvant être continu, et adapté en fonction de la demande.In this embodiment, there is an alternation of the injections of thermal energy, the cumulation of which corresponds overall to the draws of thermal energy. This process has an operation which can be continuous, and adapted according to demand.
On a représenté sur la figure 3 un deuxième mode de réalisation de l’invention. Il se distingue principalement du mode de réalisation de la figure 2 en ce qu’il exploite la technique géothermique du « monopuits ». Il met en effet en jeu un unique ouvrage non représenté équipé d’une canalisation d’injection 20 et d’une canalisation de pompage 22 ; laquelle est associée à un moyen de pompage 24 unidirectionnel car la réversibilité du sens de circulation du fluide caloporteur n’est pas requise pour le bon fonctionnement, bien au contraire. La représentation sur la figure 3 correspond à une réalisation d’un « monopuits » selon l’invention où une canalisation unique 22 de production est placée au centre d’une canalisation unique d’injection 20, définissant ainsi une géométrie de forme globalement coaxiale, mais diverses variantes, non représentées, de réalisation d’un tel « monopuits » existent, qui peuvent contenir plusieurs canalisations d’injection ou plusieurs canalisations de production dont la géométrie n’est pas nécessairement coaxiale. Dans ce mode de réalisation, l’ouvrage est implanté dans un milieu aquifère 26 de telle sorte que les profondeurs de débouché des canalisations d’injection et de production sont différentes. Les étapes du procédé selon ce mode de réalisation sont les mêmes que dans le mode de réalisation précédent. Ainsi, l’ouvrage permet l’injection et la production sans que le sens de circulation du fluide caloporteur n’ait à être inversé. L’ouvrage est conçu de façon à mettre en place une circulation préférentielle du fluide caloporteur selon une direction globalement unidirectionnelle entre les lieux d’injection, par l’intermédiaire de la canalisation d’injection 20, et de production, par l’intermédiaire de la canalisation de pompage 22. Ainsi, sur la figure 3, la direction de la circulation du fluide est globalement verticale ; l’exemple représenté étant celui d’une circulation dans le milieu aquifère allant de haut en bas mais l’inverse étant évidemment possible selon la définition du processus. Le fluide caloporteur est acheminé depuis la canalisation d’injection 20 vers la partie inférieure de l’ouvrage, où il est pompé, sous l’action des moyens de pompage 24, et il remonte de ce fait dans la canalisation de pompage 22 pour alimenter le dispositif utilisateur, non représenté. Comme dans le mode de réalisation précédent, il y a une alternance des injections d’énergie thermique dont le cumul correspond globalement aux puisages d’énergie thermique. Ce procédé a un fonctionnement pouvant être continu et adapté à la demande.FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. It differs mainly from the embodiment of Figure 2 in that it exploits the geothermal technique of "single well". It in fact involves a single structure, not shown, equipped with an injection pipe 20 and a pumping pipe 22; which is associated with a unidirectional pumping means 24 because the reversibility of the direction of circulation of the heat transfer fluid is not required for proper operation, quite the contrary. The representation in FIG. 3 corresponds to an embodiment of a “single well” according to the invention where a single production pipe 22 is placed at the center of a single injection pipe 20, thus defining a geometry of generally coaxial shape, but various variants, not shown, of embodiment of such a "single well" exist, which may contain several injection pipes or several production pipes whose geometry is not necessarily coaxial. In this embodiment, the structure is located in an aquifer 26 so that the outlet depths of the injection and production pipes are different. The steps of the method according to this embodiment are the same as in the previous embodiment. Thus, the structure allows injection and production without the direction of circulation of the heat transfer fluid having to be reversed. The structure is designed so as to set up a preferential circulation of the heat transfer fluid in a generally unidirectional direction between the places of injection, by means of the injection pipe 20, and of production, by means of the pumping pipe 22. Thus, in FIG. 3, the direction of circulation of the fluid is generally vertical; the example represented being that of a circulation in the aquifer medium going from top to bottom but the reverse being obviously possible according to the definition of the process. The heat transfer fluid is conveyed from the injection pipe 20 to the lower part of the structure, where it is pumped, under the action of the pumping means 24, and it therefore rises in the pumping pipe 22 to supply the user device, not shown. As in the previous embodiment, there is an alternation of the injections of thermal energy, the accumulation of which corresponds overall to the draws of thermal energy. This process has an operation which can be continuous and adapted to demand.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible de combiner plusieurs ouvrages pour une même opération.The invention is not limited to the embodiments presented and other embodiments will be apparent to those skilled in the art. It is in particular possible to combine several works for the same operation.
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