FR3038369A1 - Systeme de stockage et de production d'energie thermique - Google Patents

Abstract

- Système (1, 35) de stockage et de production d'énergie thermique installé dans un milieu de socle (3, 32) contenant un fluide, ledit système comportant un puits (2, 31) foré dans ledit milieu de socle, ledit système étant caractérisé en ce qu'il fonctionne en boucle de circulation semi-ouverte utilisant ledit fluide comme fluide caloporteur.

Description

Système de stockage et de production d’énergie thermique

La présente invention concerne le stockage et la production d’énergie thermique dans les milieux géologiques à très faible perméabilité, tels que, mais pas uniquement, les aquifères de socle.

On appelle « socle >> ou « socle cristallin >> une structure géomorphologique constituée d’un ensemble rocheux induré composé de roches métamorphiques ou magmatiques caractérisée par une perméabilité de fractures et de fissures représentant des aquifères discontinus offrant une faible capacité de stockage de fluide.

Les aquifères de socle sont constitués notamment de roches telles que granité, gneiss, schistes,... Ces milieux à très faible perméabilité se caractérisent à la fois par leurs capacités thermiques intéressantes et leur nature relativement continue. Cette faible perméabilité ne signifie pas que de l’eau ne s’y trouve pas et c’est pour cette raison que le mot « aquifère >> s’applique scientifiquement. Ce type d’aquifère recouvre une grande partie du globe. Dans certaines zones d’Europe mais également d’Amérique du Nord, en contexte continental ou îlien, ce type d’aquifère est le seul disponible. Or il s’agit de zones d’intérêt pour le stockage périodique, voire inter-saisonnier, d’énergie thermique permettant aussi bien le chauffage et le rafraîchissement pour le confort thermique des bâtiments que, plus généralement, la fourniture d’énergie à tout processus thermique, notamment industriel, y compris ceux produisant de la force mécanique ou de l’électricité. A ce jour, ces milieux géologiques à faible perméabilité, notamment lorsqu’ils sont localisés à faible profondeur, c’est-à-dire à moins de 1 000 m, font l’objet d’exploitation géothermique via des échangeurs géothermiques en boucle fermée. Un échangeur géothermique en boucle fermée utilise un fluide caloporteur ne circulant pas dans le milieu mais dans des conduites souterraines étanches. Ces conduites transportent l’énergie thermique depuis les profondeurs vers la surface où cette énergie est transmise au dispositif utilisateur via un équipement approprié. Le fluide caloporteur de ces systèmes n’appartient donc pas au milieu géologique. Communément, on retrouve ces échangeurs derrière le vocable générique "sondes géothermiques". Par principe, le fluide caloporteur qui circule dans un système en boucle fermée est toujours le même et représente un volume limité.

Pour parvenir à de fortes puissances thermiques, on juxtapose les sondes géothermiques à relativement faible distance les unes des autres, c’est-à-dire que l’on regroupe un certain nombre de sondes géothermiques en respectant entre les sondes adjacentes un certain espacement. Communément, un tel regroupement est dénommé "champ de sondes géothermiques".

Les sondes géothermiques fonctionnent en conduction pure et une première limitation des performances thermiques provient de la conductivité thermique des matériaux de l’ouvrage (encore appelé « forage >> ou « puits >>). Le plus communément, ces matériaux consistent en des tubes en polyéthylène haute densité et cimentation mais d’autres matériaux peuvent parfois être employés, avec ou sans cimentation. Une seconde limitation provient de la géométrie elle-même de l’ouvrage dont le diamètre foré du puits est généralement significativement inférieur à 200 mm. De ce fait, les puissances unitaires des sondes géothermiques restent faibles. Par exemple, la puissance d’échange thermique d’une sonde géothermique est comprise entre 30 et 50 W/m de profondeur, ce qui signifie que la puissance installée d’une sonde géothermique de 100 m de profondeur se situe typiquement entre 30 kW et 50 kW. Cette valeur indicative de puissance installée citée précédemment correspond approximativement à la puissance moyenne qui peut être échangée avec le sol pendant une saison normale, ce qui par exemple pour une application de chauffage d’une maison individuelle, représente de l’ordre de 2 000 heures de fonctionnement. Cette puissance moyenne diffère peu de la puissance maximale qui peut être obtenue pendant des périodes courtes en raison de la géométrie et des matériaux qui sont ou peuvent être utilisés et des matériaux naturels qui constituent la roche encaissante.

Ceci impose un nombre important d’unités dans un champ de sondes lorsqu’une puissance importante est justifiée pour le procédé utilisateur. Par exemple, une puissance thermique crête de 1 MW nécessite environ 200 sondes de 100 m de profondeur. Pour autant cette puissance peut ne pas pouvoir être disponible continûment pendant une période considérée si la demande d’énergie excède celle accessible dans les roches, durant ladite période, par conduction thermique au travers des matériaux constituant les sondes et l’encaissant. De plus, durant la dite période, la quantité d’énergie réellement disponible dans le volume matérialisé par les sondes et les roches avoisinantes peut être inférieure aux besoins du procédé utilisateur, y compris en comptabilisant les énergies qui régénèrent naturellement le stock thermique du volume considéré. L’invention a pour but de fournir un système de stockage d’énergie thermique et de production d’énergie géothermique pour un milieu faiblement perméable, présentant une performance supérieure à celle de tout procédé recourant à des sondes géothermiques, ou de tout procédé connu, appliqué à un milieu de socle. A cet effet, l’invention a pour objet un système de stockage et de production d’énergie thermique installé dans un milieu de socle contenant un fluide, ledit système comportant au moins un puits foré dans ledit milieu de socle, et ledit système fonctionnant en boucle de circulation semi-ouverte utilisant ledit fluide comme fluide caloporteur.

Le système de stockage et de production d’énergie thermique est dit en "boucle semi-ouverte" lorsque de l’eau, constituant le fluide d’une formation géologique, présente dans un volume d’une formation géologique est continûment pompée vers la surface, où un équipement approprié permet d’en échanger de l’énergie thermique, avant que l’eau ne soit réintroduite dans ce même volume de la formation géologique de manière à pouvoir recirculer selon le cycle précédemment décrit. L’eau est ainsi réintroduite sensiblement au droit de la zone d’où elle a été pompée, et l’eau circule dans ce volume, dit volume d’échange thermique, selon une direction globalement et sensiblement parallèle à la direction longitudinale du puits.

Par principe, l’eau qui circule dans un système en boucle semi-ouverte est pratiquement toujours la même.

La puissance thermique d’un système selon l’invention peut permettre une puissance thermique continue ou momentanée très supérieure à celle des sondes géothermiques du fait d’un réseau de circulation dont le périmètre est très supérieur à celui d’une sonde géothermique et du fait de l’absence de matériaux qui restreignent la conduction thermique entre le fluide et les roches.

Le système selon l’invention peut être utilisé en continu sans craindre d’épuiser la réserve d’énergie contenue dans les roches voisines de l’ouvrage car la forte puissance thermique dont il est capable permet d’injecter périodiquement de grandes quantités d’énergie thermique qui sont alors stockées dans les roches avoisinantes.

La forte puissance thermique dont est capable un système selon l’invention permet de stocker d’importantes quantités d’énergie en une durée courte et permet de déstocker cette énergie ultérieurement car l’énergie thermique diffuse peu au-delà du système en raison d’une conduction thermique limitée dans les roches du fait que le milieu est à faible perméabilité et de l’absence de phénomène convectif préjudiciable.

De plus, les cycles de stockage puis déstockage n’imposent pas d’inverser le sens de circulation de l’eau dans le système et peuvent donc se succéder sans aucune intervention sur le système.

De façon préférentielle, sans que cela résulte d’une impossibilité technique, le système selon l’invention est installé jusqu’à une profondeur maximale de 1000 m. De façon encore plus préférentielle, la profondeur est comprise entre 100 m et 250 m. De façon alternative, la profondeur peut être inférieure à 80 mètres, voire inférieure à 20 mètres.

Lorsque plusieurs systèmes élémentaires selon l’invention sont juxtaposés, ils sont disposés de façon à ce que la surface de l’enveloppe des zones d’échange thermique de chaque système élémentaire permette de limiter les pertes thermiques.

De façon également préférentielle, le diamètre du puits qui représente la première partie du système selon l’invention est compris entre 50 mm et 300 mm.

De façon avantageuse, le système de stockage et de production d’énergie thermique comporte un volume d’échange thermique entre le fluide et les roches du milieu de socle. Ce volume est constitué d’un volume du milieu géologique dans le voisinage du puits, ou proche puits, dont la perméabilité au fluide a été augmentée, de façon à ce que le fluide circule dans ce volume selon une direction globalement et sensiblement parallèle à la direction longitudinale du puits.

Selon un mode particulier de réalisation, la perméabilité des roches au fluide dans la proximité du puits est augmentée par fissuration ou par fracturation du milieu géologique ou par tout autre moyen opérant dans le puits.

La perméabilité à l’eau dans la proximité du puits ou proche puits peut être augmentée en appliquant des techniques issues de l’industrie pétrolière, qui sont adaptées pour les formations géologiques peu profondes. La perméabilité peut également être augmentée en appliquant des techniques issues du domaine du génie-civil, de la géotechnique et du domaine de la construction et de la déconstruction. Ces techniques seraient adaptées pour les ouvrages d’une profondeur pouvant atteindre 200m et plus. Dans tous les cas, les techniques doivent être adaptées pour ne concerner que la proximité du puits et privilégier la circulation dans une direction parallèle au puits.

Selon un mode particulier de réalisation, la perméabilité au fluide dans le proche puits est augmentée en opérant des micro-forages autour du puits et en assurant la connexion fluidique entre les trous nus issus des micro-forages et le puits.

Selon un mode particulier de réalisation, l’opération d’exécution d’une connexion fluidique entre le puits et tout micro-forage autour du puits est assurée en dirigeant la trajectoire de chaque micro-forage.

Selon un mode particulier de réalisation, l’opération d’exécution des micro-forages autour du puits est assurée en dirigeant la trajectoire de chaque micro-forage à l’aide de moyens disposés dans le puits.

De façon avantageuse, la connexion fluidique entre le puits et les trous nus a lieu dans la partie basse du système.

Cependant une connexion fluidique entre le puits et les trous nus peut avoir lieu à toute profondeur du système.

Préférentiellement, le centre du puits est distant du centre du trou nu issu d’un microforage au maximum de 50 cm. L’augmentation de la perméabilité du milieu encaissant dans la proximité du puits permet de développer un réseau de circulation de l’eau dans la matière constituée par les roches encaissantes de la formation géologique. Le réseau représente le volume de fonctionnement de la boucle semi-ouverte de l’ouvrage. Ce volume dans lequel est organisée la circulation d’eau représente un volume d’échange thermique entre l’eau et les roches où est développé le réseau.

Dans ce volume, les possibilités de circulation de l’eau dans les roches encaissantes sont augmentées par rapport à l’état initial du fait des réalisations du puits et des microforages et du mode d’exécution de ces réalisations, par exemple du fait de fissurations induites.

Dans le volume d’échange thermique, la circulation de l’eau est organisée selon une direction globalement et sensiblement parallèle à la direction longitudinale du puits. Ainsi, par exemple dans le cas où l’eau circule dans les trous nus globalement du haut vers le bas, l’eau circule d’une première zone vers une seconde zone, cette seconde zone étant à une profondeur plus importante que la première zone, et possédant une température différente de celle de la première zone du fait des échanges d’énergie.

En revanche, la circulation selon une direction dont une composante serait dans un plan perpendiculaire à la direction du puits est peu ou pas recherchée. Une telle circulation pourrait se prêter à des fuites d’eau vers l’extérieur du système, vers l’extérieur du volume d’échange, ce qui ne convient pas au mode de fonctionnement efficient d’un système en boucle semi-ouverte.

De façon optionnelle, la perméabilité au fluide dans le voisinage du puits est augmentée par des moyens opérant de l’intérieur du puits. Le volume d’échange thermique est généralement organisé autour du puits, c’est-à-dire dans le voisinage du puits, qui peut en occuper le centre, ou non, et ce volume peut être cylindrique ou non.

De plus, la géométrie du système peut être globalement coaxiale sans que cela signifie pour autant que tous les composants du système sont de forme cylindrique ni que les éventuels axes de symétrie des composants du système sont confondus.

De façon avantageuse, le système comporte un équipement. L’équipement est constitué par l’ensemble des matériaux et dispositifs installés dans le système, démontables ou non. L’équipement peut comporter en particulier des moyens de pompage et des moyens d’injection.

Avantageusement, le système comprend un moyen de pompage de manière à faire circuler l’eau contenue dans le volume d’échange thermique depuis la base du système jusqu’à un dispositif utilisateur situé en sortie, en haut du système. Le dispositif utilisateur vise à utiliser l’énergie thermique de l’eau. Le moyen de pompage est généralement constitué d’une pompe immergée et d’une canalisation. Le moyen de pompage peut être situé dans le puits ou dans un autre composant du système tel qu’un trou nu.

De façon optionnelle, le moyen de pompage sera associé à un moyen thermiquement isolé pour faire circuler l’eau. Ce moyen peut être constitué par un tube isolant thermiquement dans lequel la canalisation de pompage est insérée. Ce moyen d’isolation permettra de limiter les pertes d’énergie thermique qui pourraient résulter dans les échanges thermiques, au cours de la remontée du fluide vers le dispositif utilisateur, avec la roche avoisinante.

De façon également avantageuse, le système comporte un moyen d’injection pour introduire l’eau dans le volume d’échange thermique à partir du haut du système. Le moyen d’injection est généralement constitué par une canalisation. Le moyen d’injection peut être situé dans le puits ou dans un autre composant du système tel qu’un trou nu.

Les moyens de pompage et d’injection peuvent être situés dans un même composant du système, tels que le puits ou un trou nu.

De façon optionnelle, le puits comporte, sur une partie de sa longueur qui est en contact avec le milieu de socle, un moyen d’étanchéité fluidique, un moyen d’isolation thermique ou les deux moyens. Ces moyens forcent l’eau à circuler exclusivement dans le volume d’échange thermique. Ces moyens peuvent être constitués par au moins une paroi étanche. Un moyen d’étanchéité fluidique et un moyen d’isolation thermique, seuls ou combinés, peuvent également équiper en partie le trou nu, tous les trous nus ou une partie des trous nus.

Ces moyens permettent d’imposer le sens de circulation de l’eau dans le volume d’échange thermique et permettent d’imposer la façon d’organiser les échanges thermiques. De façon préférentielle, le sens de circulation est le même pour tous les trous nus d’un ouvrage selon l’invention et ce sens de circulation dans les trous nus est en sens contraire du sens de circulation dans le puits dudit ouvrage. Ainsi de la sorte, si le sens de circulation dans les trous nus va du haut vers le bas alors le sens de circulation dans le puits va du bas vers le haut et si le sens de circulation dans les trous nus va du bas vers le haut alors le sens de circulation dans le puits va du haut vers le bas. Ce moyen permet donc d’obtenir la meilleure performance selon le mode d’utilisation et, notamment, la température souhaitée pour le stock d’énergie thermique.

De façon avantageuse, des composants de l’équipement du système sont démontables. De façon préférentielle, les moyens d’injection sont démontables. De façon également préférentielle, les moyens de pompage sont démontables. De façon avantageuse, les moyens de pompage et les moyens d’injection peuvent être installés à la place des moyens d’injection et les moyens d’injection peuvent être installés en surface ou dans les puits ou les micro-forages, de manière à être employés de façon réversible sans avoir à être démontés ou être réinstallés. Cela permet une exploitation adaptée à l’utilisation, laquelle utilisation peut varier dans le temps, éventuellement en fonction des saisons.

De façon avantageuse, le système est réversible aussi bien au sens de la direction de circulation de l’eau qu’au sens de la direction des échanges d’énergie thermique entre l’eau et les roches.

De façon avantageuse, des composants de l’équipement du système sont réversibles. De façon préférentielle, les moyens de pompage et d’injection sont réversibles. L’invention a également pour objet un ensemble constitué de plusieurs systèmes juxtaposés de stockage d’énergie thermique. Un tel ensemble est appelé « champ >> de systèmes de stockage et de production d’énergie thermique. Dans ce champ sont regroupés un certain nombre de systèmes de stockage et de production d’énergie thermique en respectant entre les systèmes adjacents un certain espacement. La puissance thermique élevée pour une implantation en champ sera obtenue avec un nombre restreint d’ouvrages du fait de la puissance unitaire importante. L’invention a également pour objet un procédé de stockage et de production d’énergie thermique mettant en oeuvre un système de stockage et de production d’énergie thermique installé dans un milieu de socle, ledit système contenant un fluide qui constitue un fluide caloporteur et comportant au moins un puits foré dans ledit milieu de socle, ledit procédé étant caractérisé en ce que le système de stockage et de production fonctionne en boucle de circulation semi-ouverte.

Avantageusement, le procédé comporte une étape de constitution d’un volume d’échange thermique entre l’eau et les roches du milieu de socle par augmentation artificielle de la perméabilité à l’eau d’un volume du milieu de socle dans le proche puits, l’eau circulant dans le volume du milieu géologique selon une direction parallèle à la direction longitudinale du puits.

De façon optionnelle, le procédé est mis en oeuvre en réseau de chaleur, en réseau de froid ou en réseau de rafraîchissement direct.

De façon optionnelle, le procédé est mis en oeuvre pour la production d’électricité.

Optionnellement, le procédé est mis en oeuvre pour la production d’électricité et l’utilisation en réseau de chaleur, en réseau de froid ou en réseau de rafraîchissement direct.

De façon optionnelle, le procédé est mis en oeuvre pour tout procédé utilisant de l’énergie thermique.

De façon optionnelle, le procédé est mis en oeuvre pour tout procédé devant stocker de l’énergie thermique.

De façon optionnelle, le procédé est mis en oeuvre pour tout procédé utilisant de l’énergie thermique et devant stocker de l’énergie thermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles :

La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un système géothermique selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 est une vue en coupe transversale d’un système géothermique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

On se réfère maintenant à la figure 1 qui montre un système de stockage et de production d’énergie thermique 1 selon un mode de réalisation de l’invention comprenant un puits 2 qui a été foré dans le sol 29 et dans un milieu de socle 3. Le puits 2 contient une cavité 4. La profondeur P du puits est, par exemple, de 200 m. Son diamètre d est, par exemple, de 200 mm. Dans le puits sont installées une canalisation 5 pour l’injection d’eau dans le puits et une canalisation 6 pour le pompage de l’eau présente en profondeur vers la surface. A cet effet, le puits est équipé d’une pompe 7 présente à l’extrémité inférieure de la canalisation 6. L’eau injectée est présente dans un compartiment 8 de la cavité 4 du puits 2. Le compartiment 8 est situé au niveau de la partie inférieure du sol 29 et de la partie supérieure du milieu géologique de socle 3. Une enveloppe 20 étanche à l’eau traverse un compartiment 21 de la cavité 4 du puits 2 qui est fluidiquement et thermiquement maintenu isolé du reste du puits et du milieu de socle 3 dans lequel il est situé. La partie 9 de la canalisation 6 qui est située dans le puits est logée dans un tube 10 qui contribue à l’isolation fluidique et thermique de la canalisation 6. Le tube 10 peut comporter à son extrémité inférieure une crépine 11, qui maintient le tube 10 en communication fluidique avec le compartiment inférieur 22 de la cavité 4 du puits 2. Dans le proche puits, c’est-à-dire dans le voisinage du puits, un volume 12 du milieu de socle 3 a été aménagé (par fracturation ou par fissuration dans cet exemple) de manière à augmenter la perméabilité à l’eau dans le volume 12 du milieu de socle 3. Afin de ne pas compliquer la figure 1, l’aménagement opéré dans le volume 12 n’est pas représenté. Le volume 12 constitue un volume d’échange thermique entre l’eau et les roches du milieu de socle 3. L’eau présente dans le volume 12 du de socle 3 peut être pompée vers la surface. Au tout début, l’eau pénètre dans le compartiment inférieur 22 de la cavité 4 du puits 2, ce qui est représenté par la flèche 14. Elle pénètre par la suite dans le tube 10 au niveau de la crépine 11 puis remonte dans la canalisation 6 pour alimenter en surface le dispositif utilisateur (non représenté), ce qui est symbolisé par la flèche 15. Dans ce système, l’eau de l’aquifère est utilisée comme fluide caloporteur. Son énergie thermique est extraite par le dispositif utilisateur selon des moyens conventionnels non précisés ici, avant que l’eau ne soit réintroduite dans le volume 12 du milieu géologique de socle 3. A cet effet, l’eau est introduite dans la cavité 4 du puits 2 par injection dans la canalisation 5, ce qui est représenté par la flèche 16. L’eau se répand dans le compartiment 8 de la cavité 4 du puits 2. Du fait que la couche supérieur du sol peut ne pas être propice aux fonctionnalités thermiques et environnementales recherchées, la partie supérieure du compartiment 8 de la cavité 4 du puits 2 peut être isolée thermiquement et fluidiquement du milieu géologique par un dispositif 25 dont les parois et le mode de réalisation sont en conformité avec les dispositions réglementaires en vigueur. De ce fait, l’eau poursuit son parcours en pénétrant dans le volume 12 à perméabilité augmentée du milieu de socle 3, ce qui est représenté par la flèche 17. L’eau circule dans le volume 12 à perméabilité augmentée mais ne pénètre pas dans le volume 13 dont la perméabilité n’a pas été augmentée du milieu de socle 3 qui lui est resté peu perméable.

Dans ce système, la circulation de l’eau dans le volume 12 à perméabilité augmentée est organisée dans une direction parallèle à la direction longitudinale du puits et, dans l’exemple représenté en figure 1, le sens de circulation est organisé depuis le haut du volume 12 à perméabilité augmentée, ce qui est symbolisé par les flèches 17 et 14. Ce mode de réalisation permet donc de pomper l’eau qui capte de l’énergie thermique dans tout le volume de roches 12 et dans les roches avoisinantes 13 grâce à la conduction et d’en utiliser l’énergie thermique en surface, avant de réinjecter l’eau. Ce système est donc utilisable pour fournir de la chaleur ou du rafraîchissement à une installation en surface.

Ainsi dans ce système, l’eau présente dans la formation de socle 3 est continûment pompée vers la surface où un équipement approprié permet d’en extraire de l’énergie thermique avant que l’eau ne soit réintroduite dans la formation de socle 3 d’où elle provient. Ce système fonctionne donc en boucle de circulation semi-ouverte.

De la même façon dans ce système, l’eau présente dans la formation de socle 3 peut être continûment pompée vers la surface où un équipement approprié permet d’y transférer de l’énergie thermique avant que l’eau ne soit réintroduite dans la formation 3 d’où elle provient et à laquelle elle cédera l’énergie thermique pour qu’elle y soit stockée.

Dans un autre mode de réalisation non représenté, le sens de circulation dans le volume 12 à perméabilité augmentée est organisé depuis le bas du volume 12 à perméabilité augmentée, ce qui permet d’adapter le système à d’autres conditions d’utilisation en surface que celles décrites en figure 1. Ce mode de réalisation est mis en place en utilisant un ouvrage identique à celui du mode de réalisation représenté en figure 1, mais dans lequel l’équipement permet d’obtenir le sens de circulation inverse.

Dans un autre mode de réalisation, également non représenté, l’équipement d’un ouvrage similaire à celui du mode de réalisation de la figure 1 peut permettre d’inverser le sens de circulation sans aucune modification de l’équipement, car cet équipement est réversible.

La figure 2 est une vue en coupe transversale d’un système de stockage et de production d’énergie thermique 35 selon un autre mode de réalisation de l’invention comprenant un puits 31 foré dans un milieu de socle 32. Le puits 31 contient dans sa cavité une canalisation pour le pompage de l’eau, une pompe et un tube d’isolation thermique équipé d’une crépine identiques et disposés de manière identique à ceux représentés dans la cavité du puits du mode de réalisation de la figure 1, et qui ne sont pas représentés ici. La partie supérieure du puits 31 est étanche à l’eau et isolée grâce à un dispositif identique au dispositif 25 représenté dans le mode de réalisation de la figure 1. Sa partie inférieure autorise les échanges de fluides avec le milieu de socle 32. Le puits 31 est globalement au centre d’un cercle de rayon E sur lequel sont répartis six ouvrages périphériques 33 qui ont leurs centres positionnés sur le cercle. Le rayon E du cercle est de 50 cm.

Ces ouvrages périphériques 33 sont des trous nus percés dans le milieu de socle 32. Les trous nus 33 sont étanches à l’eau et peuvent être isolés thermiquement dans leur partie supérieure, grâce à un dispositif non représenté, identique au dispositif 25 représenté dans le mode de réalisation de la figure 1. Leur partie inférieure en trou nu autorise la circulation de fluides et les échanges d’énergie thermique avec le milieu de socle 32. Dans le proche puits, c’est-à-dire dans le voisinage du puits 31 et dans un volume 34 représenté par le cercle de rayon E et dans le voisinage de chacun des trous nus 33, le milieu de socle 32 représente un volume de roches propice aux échanges thermiques aux parois et par conduction thermique dans les volumes 32 et 34 consécutivement à l’aménagement des différents ouvrages (31, 33) du système de stockage et de production d’énergie thermique. Par conséquent, la perméabilité à l’eau et les propriétés thermiques du volume 34 du milieu de socle 32 ont été augmentées par rapport à leur état initial. Le volume 34 constitue un volume d’échange et de stockage thermique entre l’eau et les roches du milieu de socle 32, de même que le volume du milieu géologique 32 à proximité du système.

Selon la durée des cycles de puisage et de stockage thermique convenant à l’utilisation en surface, il convient de considérer que la part du volume 34 et du milieu 32 effectivement concernée par les échanges thermiques peut être plus ou moins grande autour du volume matérialisé par le cercle de rayon E en figure 2. L’eau présente dans les aquifères situés dans le volume 34 du milieu de socle 32 et à la périphérie de ce volume peut être pompée vers la surface. Dans un autre mode de réalisation, de manière identique à ce qui est représenté dans le mode de réalisation de la figure 1, l’eau pénètre dans la partie inférieure non représentée du puits 31. Elle pénètre par la suite dans le tube, par exemple au travers d’une crépine puis remonte dans la canalisation pour alimenter en surface le dispositif utilisateur (non représenté). Dans ce système, l’eau de l’aquifère est utilisée comme fluide caloporteur. Son énergie thermique est extraite par le dispositif utilisateur selon des moyens conventionnels non précisés ici, avant que l’eau ne soit réintroduite dans le volume 34 du milieu de socle 32. A cet effet, l’eau est introduite dans les trous nus 33 par injection dans des canalisations non représentées identiques à la canalisation 5 du mode de réalisation de la figure 1. L’eau se répand dans les parties supérieures non représentées des trous nus 33. L’eau poursuit son parcours et échange de l’énergie thermique avec le volume 34 du milieu de socle 32.

De la même façon dans ce système, l’eau peut être continûment pompée vers la surface où un équipement approprié permet d’y transférer de l’énergie thermique avant que l’eau ne soit réintroduite dans la formation d’où elle provient et à laquelle elle cédera l’énergie thermique pour qu’elle y soit stockée.

Dans ce système représenté en figure 2, la circulation de l’eau dans le volume 34 est organisée dans une direction parallèle à la direction longitudinale du puits et le sens de circulation est organisé depuis le haut du volume 34 très majoritairement dans les trous nus 33 et dans leur voisinage immédiat. Ce mode de réalisation permet donc de pomper l’eau ayant échangé de l’énergie thermique avec tout le volume de socle 32 et d’en utiliser l’énergie thermique en surface, avant de réinjecter l’eau. Ce processus est utilisable pour des utilisations en surface de réchauffage comme de rafraîchissement.

Ainsi dans ce système, l’eau présente dans la formation de socle 32 est continûment pompée vers la surface où un équipement approprié permet d’en extraire de l’énergie thermique ou de lui céder de l’énergie thermique avant que l’eau ne soit réintroduite dans la formation de socle 32 d’où elle provient. Ce système fonctionne donc en boucle de circulation semi-ouverte.

Dans un autre mode de réalisation non représenté, le sens de circulation dans le volume 34 est organisé depuis le bas du volume 34. Ce mode de réalisation est mis en place en utilisant un ouvrage identique à celui du mode de réalisation représenté en figure 2, dans lequel l’équipement permet d’obtenir le sens de circulation inverse. Plus précisément dans ce mode de réalisation, l’injection est effectuée au niveau du puits 31 équipé d’une canalisation tubée et thermiquement isolée comme la canalisation 6 de la figure 1 et le pompage est effectué au niveau des trous nus 31 par des canalisations identiques à la canalisation 5 représentée en figure 1.

Dans un autre mode de réalisation, également non représenté, l’équipement d’un ouvrage similaire à celui du mode de réalisation de la figure 2 peut permettre d’inverser le sens de circulation sans modification de son équipement, car cet équipement est réversible. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

Ainsi, l’utilisation de l’invention n’est pas limitée aux milieux de socle fracturés ou fissurés mais peut notamment avoir lieu dans tout milieu géologique constitué de roches dures de faible perméabilité.

Les dimensions du puits ne sont pas limitées aux valeurs des modes de réalisation des figures 1 et 2.

La technique d’aménagement du milieu géologique de faible perméabilité pour augmenter celle-ci n’est pas limitée aux techniques utilisées dans les modes de réalisation des figures 1 et 2. L’isolation thermique et fluidique du puits peut être effectuée à l’aide de tout autre dispositif connu de l’homme du métier.

La mise en oeuvre de l’invention sur la base d’un puits entouré de trous nus peut être effectuée avec un nombre de trous nus différent de six.

Il est également possible d’utiliser chaque mode de réalisation unitaire dans un ensemble de systèmes de stockage d’énergie thermique, afin de constituer un champ de systèmes de stockage.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Système (1,35) de stockage et de production d’énergie thermique installé dans un milieu de socle (3, 32) contenant un fluide, ledit système comportant au moins un puits (2, 31) foré dans ledit milieu (3, 32) de socle, ledit système étant caractérisé en ce qu’il fonctionne en boucle de circulation semi-ouverte utilisant ledit fluide comme fluide caloporteur.
2. 2. Système (1, 35) selon la revendication 1, comportant un volume d’échange thermique entre le fluide et les roches du milieu (3, 32) de socle constitué par un volume (12, 34) du milieu de socle situé dans le voisinage du puits (2,31) et dont la perméabilité au fluide a été augmentée.
3. 3. Système (1, 35) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la perméabilité au fluide dans le voisinage du puits (2, 31) est augmentée par fracturation ou par fissuration du milieu (3, 32) de socle, ou par des moyens opérant de l’intérieur du puits (2, 31).
4. 4. Système (35) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la perméabilité au fluide dans le voisinage du puits (31 ) est augmentée en opérant des micro-forages autour du puits (31) et en assurant la connexion fluidique entre des trous nus (33) issus des micro-forages et le puits (31).
5. 5. Système (35) selon la revendication précédente, dans lequel la connexion fluidique entre les trous nus (33) et le puits (31) est assurée en dirigeant la trajectoire de chaque micro-forage.
6. 6. Système (35) selon la revendication précédente, dans lequel la trajectoire de chaque micro-forage est dirigée à l’aide de moyens disposés dans le puits (31).
7. 7. Système (1, 35) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide circule dans ledit volume d’échange thermique selon une direction globalement et sensiblement parallèle à la direction longitudinale dudit puits (2, 31).
8. 8. Ensemble constitué de plusieurs systèmes (1,35) juxtaposés de stockage d’énergie thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
9. 9. Procédé de stockage et de production d’énergie mettant en oeuvre un système (1, 35) de stockage et de production d’énergie thermique selon l’une des revendications 1 à 7.
10. 10. Procédé selon la revendication précédente, comportant une étape de constitution d’un volume d’échange thermique entre le fluide et les roches du milieu de socle (3, 32) par augmentation artificielle de la perméabilité à l’eau d’un volume (12, 34) du milieu de socle(3, 32) situé dans le voisinage du puits (2, 31 ), et de façon à ce que le fluide circule dans ledit volume (12, 34) selon une direction globalement et sensiblement parallèle à la direction longitudinale du puits.