Géothermie par forages - Contrôle des interférences en exploitation

La géothermie par forages sur aquifère consiste à alimenter les échangeurs thermiques avec l’eau de l’aquifère pour produire en surface de la chaleur ou du froid avec des machines thermodynamiques (pompes à chaleur, frigopompes).

Une telle machine thermodynamique ne peut fonctionner correctement dans le cycle de Carnot que si les deux sources thermiques externes (chaude et froide) restent à une température quasiment constante sur le long terme.

La réglementation géothermique pour les échangeurs thermiques ouverts alimentés en eau d’aquifère par des puits producteurs impose que la totalité de l’eau géothermale produite soit intégralement réinjectée dans le même aquifère via des puits injecteurs .

L’eau géothermale est réinjectée dans l’aquifère à une température différente (environ 5 à 7 °C en plus ou moins selon que l’on produise du froid ou de la chaleur dans les machines thermodynamiques).

Le risque encouru dans le fonctionnement des doublets de puits géothermiques (producteur-injecteur) serait donc de voir à terme des eaux de réinjection de température différente migrer vers la zone de drainage des puits producteurs. Cela entraînerait une grave altération des performances thermodynamiques des machines et un arrêt de l’installation à terme (, p. 8 et 56).

Les modèles complexes utilisés pour le calcul de d’évolution dans le temps des zones de drainage (appelées aussi panache ou nuage) hydrauliques ou thermiques dans l’aquifère des puits producteurs ou injecteurs sont décrits dans la littérature ( . Les résultats essentiels qu’il est possible d’obtenir par ces méthodes sont présentés en référence , chapitre III – pages 226 à 233).

Il existe par ailleurs des logiciels complexes de simulation 3D des écoulements hydrauliques et thermiques dans les aquifères en milieu poreux .

Pour nos cas d’études de faisabilité de la géothermie sur aquifère, un modèle analytique simple sur tableaux Excel permettant de valider simplement le contrôle des interférences hydrothermiques entre les puits géothermiques producteurs et injecteurs dans l’aquifère a été developpé. Ces calculs simplifiés permettent d’appréhender rapidement le dimensionnement et la position des différents forages pour un fonctionnement sain des installations de surface.

Les équations des écoulements d’eau dans les aquifères sont écrites pour simplifier en deux dimensions horizontales. Les développements mathématiques sont proposés pour la résolution analytique d’équations différentielles. Les résultats d’interférences possibles entre forages avec un cas d’étude réel de doublet puits géothermiques sur aquifère sont présentés sous forme de tableaux et de graphes Excel.