Quantification du potentiel d’utilisation thermique de la nappe phréatique profonde

La société GEOTEST SA a été mandatée par l’Office de l’environnement du canton de Zoug pour quantifier, sur la base des données hydrogéologiques disponibles, le potentiel technique d’utilisation thermique pour des systèmes en boucle ouverte (open loop) de type doublet. L’étude devait également prendre en compte le potentiel de stockage saisonnier de chaleur à basse température (LT-ATES : Low Temperature Aquifer Thermal Energy Storage). 

Pour estimer le potentiel d’utilisation thermique de la nappe, l'étude a déterminé le nombre maximal de puits (doublets) pouvant être installés sans interférence significative (court-circuit thermique) et sans enfreindre la legislation en vigueur. Cette dernière dispose que le changement de température ne doit pas dépasser 3 K à 100 mètres en aval du puits de réinjection. 
 

L'analyse suppose qu'il n'y a aucune restriction à l'installation des puits (les infrastructures existantes ou d'autres limitations ne sont pas prises en compte). Le potentiel calculé correspond donc à un potentiel technique maximal, qui est fixé par les caractéristiques hydrogéologiques (épaisseur, perméabilité hydraulique, gradient, etc.) ainsi que par l'agencement des puits et les profils de charge énergétique. 
 

Le potentiel a été évalué pour six profils de charge énergétique différents, représentant de petits, moyens et grands besoins, chacun en version équilibrée et déséquilibrée. Ces profils proviennent de l'étude Zyklos mandatée par le canton de Zurich à laquelle GEOTEST a contribué. Les puits ont été opérés en mode recirculatif ou bidirectionnel selon les conditions hydrogéologiques. 
 

Le potentiel a été estimé à l’aide de simulations numériques. Pour réduire le temps de calcul, l'aquifère profond a été divisé en "clusters" représentatifs. Pour chacun de ces clusters, les simulations ont été réalisées avec des modèles 3D en forme de parallélépipède (boîte) aux paramètres homogènes et aux gradient hydraulique constant. 

La zone d'influence thermique de chaque puits est estimée par l'isotherme de 0,1 K. On suppose qu'il n'y a pas d'effets de cascade thermique tant que ces zones d'influence ne se chevauchent pas. 
 

Un algorithme de "bin packing" a ensuite été utilisé pour répartir les zones d'influence thermique des systèmes en boucle ouverte sur la surface de l’aquifer. Cet algorithme tient compte de la direction du gradient hydraulique et traite ces zones comme des limites rigides. Le potentiel technique a été déterminé pour chaque cluster, tant pour les profils de charge équilibrés que déséquilibrés. 

Les simulations montrent que l'efficacité de la récupération de chaleur dépend fortement des conditions hydrogéologiques et des profils de charge énergétique. Les profils équilibrés permettent une récupération plus efficace. 
 

Les résultats montrent que le potentiel est le plus élevé avec des puissances plus importantes et des profils de charge équilibrés. Dans l'ensemble, la puissance installée dans la zone d'étude pourrait être multipliée par trois sans enfreindre la législation. 

L'étude confirme que le potentiel d'utilisation de la chaleur de la nappe profonde dans le bassin de Baar est considérable et loin d'être pleinement exploité. La méthode utilisée est flexible et moins intensive en calcul qu'une modélisation globale de la nappe qui simulerait simultanément tous les puits. Elle tient compte de l'effet potentiel de cascade thermique ainsi des lignes d’écoulement, et peut être transposée à d'autres aquifères. Les futures études devraient se concentrer sur la quantification des incertitudes et analyser le compromis entre l’extension de la zone d’influence et l’efficacité de récupération de chaleur. 

L’originalité réside dans la combinaison de simulations numériques et d’un algorithme de « bin packing », permettant de déterminer le nombre maximal d’exploitations sans court-circuit thermique. Ce nouvel outil permet de quantifier efficacement le potentiel technique d’utilisation de la chaleur de la nappe, garantissant une exploitation durable de la nappe profonde pour la production et le stockage de chaleur. Cette approche flexible est applicable à divers aquifères, en faisant un outil précieux pour la planification et l’optimisation des installations de stockage thermique. 

Kanton Zug, Grundlagen: Potenzialstudie "Unteres Grundwasserstockwerk Baar/Zug/Steinhausen" https://zg.ch/de/planen-bauen/bauvorschriften/energienutzung-aus-untergrund-und-wasser/energie-aus-grundwasser#GrundlagenlnBaarZugSteinhausen 
 

Office fédéral de l'énergie, Stockage saisonnier de chaleur dans les eaux souterraines, Zyklos-Studie 

Étude pilote sur le potentiel des eaux souterraines : https://www.geotest.ch/fr/references/geoinformatique-and-3d/etude-pilote-sur-le-potentiel-des-eaux-souterraines 

Wärmenutzungspotenzial in Lockergesteins-Grundwasserleitern: