Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Contribution à l'étude du comportement thermo-hydraulique du stockage de chaleur en aquifère

Dupasquier, Stéphane ; Parriaux, Aurèle (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2250.

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    Summary
    In this work, a parametric study is done with computational methods for groundwater flow and heat transport in order to describe the dominant physical phenomena in an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES). Optimum operating conditions and geological parameters are deduced from it. The intended use of the ATES is the domestic water or space heating. The stock is seasonal and functions without heat pump. Parametric study is organized as a series of reference simulations relating to the thickness of the aquifer and the injection flow rate. The other parameters and operating conditions of are kept constant. Other simulations are done and compared to the reference simulations in order to describe the influence of injection temperature, hydraulic conductivity, anisotropicity, injection frequencies, phases of rest, outflow rate and doublet wells. The cells of natural convection are strongly affecting the performances of an ATES. The thermal losses by conduction trough bedrock and caprock is an unfavourable factor as well, but to a lesser extent however. The increase of inflow rate always improves the efficiency, whereas an optimum aquifer thickness exists for each inflow rate. This optimum is characterised by weak natural convection phenomena. A greater thickness means strong density-viscosity effects, while a thinner aquifer forms a horizontally stretched stock, with increased conductive losses through the bedrock and cap rock. A maximum thermal recovery rate exists for a given flow rate. This maximum increases with inflow rate. The injection temperature behaves on the stock in the same way as the aquifer thickness for a given inflow: there is an optimal temperature. However it is in general preferable to increase the injection temperature instead of the inflow rate. In terms of optimization of the thermal power at disposal, the most favorable scenario is an increasing flow during the discharge. The precise scenario is different for each problem. The performances of a ATES are the complex result of the many parameters which enter in plays. One will recommend an inflow rate of at least 100m33/d during 6 months, and even rather 500 - 1000m3/d with an injection temperature of 80°C at least. An injection temperature of 60°C will have to be associated with an inflow of 1000m3/d at least. The geological targets proposed in Switzerland are the quaternary alluvial deposits filling the former glaciated valleys, fluvioglacial deposits and alluvial fans.
    Résumé
    Dans ce travail, des modèles numériques d'écoulements souterrains et de transport de chaleur par convection-conduction sont utilisés afin de décrire, par l'étude paramétrique, les phénomènes physiques dominants dans un stockage de chaleur en aquifère. Des conditions d'exploitation et des paramètres géologiques optimaux en sont déduits. L'utilisation escomptée du stock est le chauffage de locaux ou d'eau sanitaire. Le stock est saisonnier et fonctionne sans pompe à chaleur. L'étude paramétrique est organisée autour d'une série de simulations de référence portant sur l'épaisseur de l'aquifère et le débit d'injection. Les autres paramètres et conditions d'exploitations sont maintenus constants. On reconduit un certain nombre de ces simulations de référence en modifiant les paramètres géologiques ou les conditions d'exploitation dont on veut étudier l'effet. Outre l'épaisseur de l'aquifère et le débit d'injection, les températures d'injection, les conductivités hydrauliques de l'aquifère, les contrastes de conductivité, les fréquences d'injection, les phases de repos, les scénarios de soutirage et les configurations en doublets sont ainsi analysés. Les cellules de convection naturelle apparaissent comme un phénomène fortement négatif sur les performances d'un stock. Elles sont favorisées par l'accroissement de l'épaisseur et de la conductivité hydraulique, ainsi que par la diminution du débit d'injection. Les pertes thermiques par conduction dans les épontes sont également un facteur défavorable, mais dans une moindre mesure toutefois. A une épaisseur d'aquifère donnée correspond un débit d'injection optimal, qui constitue le meilleur équilibre entre les pertes par effet de densité-viscosité et les pertes par conduction par les épontes. Il fournit un taux de récupération optimal. Toutefois, ce débit optimal ne constitue pas le taux de récupération maximal, puisqu'il peut être amélioré par un débit ou une température d'injection plus élevés. A un débit d'injection donné correspond un taux de récupération maximal, lequel n'est atteignable qu'avec un aquifère d'épaisseur optimale. La température d'injection se comporte sur le stock de la même manière que l'épaisseur de l'aquifère pour un débit de charge donné: il y a une température optimale. Une température trop faible diminue le rendement, tandis qu'une température trop élevée installe des cellules de convection naturelle. Il est en général préférable d'accroître la température d'injection que le débit. En termes d'optimisation de la puissance thermique à disposition, le scénario le plus favorable est un débit croissant lors de la décharge. Le scénario précis est différent pour chaque problème. Les performances d'un stock de chaleur en aquifère sont le résultat complexe des nombreux paramètres qui entrent en jeux. Dans l'utilisation recherchée, on recommandera un débit d'injection d'au minimum 100m3/j durant 6 mois, et même plutôt 500 à 1000m3/j, à une température de 80°C au moins. Une température d'injection de 60°C devra être associée à un débit de 1000m3/j au moins. Les cibles géologiques proposées en Suisse sont les alluvions fluviatiles récentes de remplissage de vallées glaciaires, les dépôts fluvio-glaciaires et les cônes alluviaux.