Dans le dernier chapitre de cette partie, nous aborderons l'un des défis les plus courants dans la conception des champs de forage géothermiques : le déséquilibre. Quels sont les outils dont nous disposons, en tant que concepteurs, pour modifier la conception du champ de forage de manière à pouvoir y faire face tout en maintenant le coût d'investissement à un niveau raisonnable ?
Déséquilibre et conception du champ de forage
Le déséquilibre, c'est-à-dire la différence entre la demande d'extraction et la demande d'injection du champ de forage, est une réalité pour un concepteur de champ de forage. Lors de la conception d'un projet, il s'agit généralement d'un fait acquis, puisqu'il est directement lié à la demande du bâtiment et donc aux choix architecturaux. Bien qu'il soit parfois possible de modifier certains aspects de la conception du bâtiment, les concepteurs géothermiques doivent généralement y faire face.
Le déséquilibre exerce une pression sur les températures à long terme du champ de forage. Si les températures doivent rester dans certaines limites, une dérive de la température influencera évidemment la conception et augmentera généralement le coût de l'investissement.
Dans les sections suivantes, plusieurs choix de conception qui influencent la façon dont un champ de forage gère le déséquilibre sont discutés. Ces options sont divisées en solutions qui fonctionnent toujours et en solutions qui fonctionnent parfois.
Toujours bénéfique pour le déséquilibre
Comme nous l'avons vu dans la partie 2, la réponse thermique d'un champ de forage peut être divisée en deux échelles de temps : les effets à long terme et les effets à court terme.
Étant donné que le déséquilibre est un phénomène qui cause des problèmes à long terme, la modification de la conception pour améliorer ces effets à long terme est une première étape logique. Ce qui peut paraître surprenant au premier abord, c'est que les effets à court terme peuvent également avoir un impact positif sur le problème du déséquilibre. Les choix de conception qui influencent le comportement à long terme et à court terme du champ de forage seront examinés dans les deux sections suivantes. Une troisième section...
Un meilleur comportement à long terme
L'effet à long terme décrit l'évolution de la température de la paroi du forage au fil des ans et c'est là que l'impact direct du déséquilibre devient visible. Plus la quantité d'énergie extraite chaque année est importante, plus la température de la paroi du trou de forage sera basse à long terme, et inversement pour les systèmes à injection.
Comme indiqué dans Partie 2.3, Cet effet à long terme est régi par les fonctions g, qui représentent l'interaction thermique entre les différents trous de forage dans le champ et entre le champ et son environnement. Afin de minimiser la dérive de la température de la paroi du trou de forage, la conception doit être adaptée pour obtenir la fonction g la plus basse possible.
Comme le montre la figure ci-dessus, il existe plusieurs façons d'influencer les fonctions g. L'une d'entre elles, illustrée à gauche, consiste à ajuster l'espacement entre les trous de forage. L'une d'entre elles, illustrée à gauche, consiste à ajuster l'espacement entre les trous de forage. Plus les trous de forage sont espacés, plus ils peuvent échanger de l'énergie avec le sol environnant, plus leur interférence thermique mutuelle est réduite et, par conséquent, plus l'impact du déséquilibre sur le système est faible.
Le même raisonnement s'applique à l'exemple de droite. Si la configuration du trou de forage est modifiée pour devenir plus ouverte, comme une ligne ou une forme en L au lieu d'un rectangle, le champ de forage peut échanger de l'énergie avec le sol plus efficacement, réduisant ainsi l'influence du déséquilibre. Cet effet a également été observé dans l'étude chapitre précédent, Il s'agit là d'un point important dans le cadre d'une discussion sur l'importance de travailler avec les coordonnées du trou de forage.
Forages inclinés
Une autre façon d'augmenter artificiellement la distance entre les forages est de les incliner. Cette approche est déjà courante dans les pays scandinaves et a donné naissance à des concepts tels que Celsius Energy‘s Pyramide des énergies et le Concept Geostar développé par Fraunhofer IEG.
Outre l'avantage de nécessiter une empreinte au sol plus petite, ce qui facilite l'installation de systèmes géothermiques plus importants dans les zones densément bâties, si les trous de forage sont suffisamment profonds, leur espacement moyen devient plus important, ce qui réduit l'interaction thermique entre les trous de forage et diminue l'impact du déséquilibre sur la conception finale.
Meilleur comportement à court terme
Le comportement à court terme, tel que discuté dans Partie 2.2, est décrite par la résistance thermique effective du trou de forage, qui exprime la relation entre la température de la paroi du trou, déterminée par les fonctions g comme indiqué ci-dessus, et la température du fluide, qui doit rester dans certaines limites. C'est précisément cette relation qui rend la résistance du trou de forage importante lorsqu'il s'agit de déséquilibre.
Pour comprendre cela, examinons le profil de température ci-dessous pour un champ de forage composé de 5 trous de forage, chacun d'une profondeur de 113 mètres.
Comme on peut le voir sur la figure ci-dessus, la différence entre la température du fluide pendant le pic de chauffage et la température de la paroi du forage, qui est à peine visible dans ce cas, est assez importante en raison d'une résistance thermique effective du forage relativement faible de 0,1820 mK/W pendant l'extraction. Le champ de forage ci-dessus pourrait supporter un déséquilibre géothermique de 15,2 MWh/an lors de l'extraction.
Lorsque le champ de forage reste inchangé et que la résistance du forage est améliorée à une valeur de 0,0718 mK/W, les températures des fluides se rapprochent beaucoup plus de la température de la paroi du forage. Cela signifie que la température de la paroi du trou de forage pourrait diminuer un peu plus au fil du temps tout en maintenant les températures des fluides dans leurs limites. Il s'avère que, dans ce cas, le même champ de forage avec 5 trous de forage pourrait gérer un déséquilibre de 32,0 MWh/an dans l'extraction avec cette résistance améliorée du trou de forage.
En d'autres termes, lorsque la résistance du trou de forage est faible, un déséquilibre plus important peut être géré plus efficacement car l'énergie peut être transférée plus facilement entre le fluide et le sol.
Parfois bénéfique pour le déséquilibre
Outre les choix de conception ci-dessus qui sont généralement bénéfiques en cas de déséquilibre, il existe d'autres choix de conception qui peuvent également être bénéfiques dans certains cas.
Trous de forage supplémentaires
Une solution souvent proposée pour faire face au déséquilibre consiste à réaliser des forages supplémentaires. Le raisonnement est assez simple : plus il y a de forages, plus il y a d'énergie échangée avec le sol. Ce raisonnement suit la même logique que celle évoquée plus haut concernant l'espacement et la configuration des forages. Cependant, il existe une nuance importante liée à la résistance du trou de forage.
Le régime d'écoulement, qu'il soit laminaire ou turbulent, est un paramètre clé qui influe sur la résistance thermique effective du trou de forage. Lorsque le nombre de trous de forage dans le système change, le débit total est réparti entre un plus grand nombre de trous de forage, ce qui se traduit par un débit plus faible par trou de forage. Dans le graphique ci-dessous, cela correspond à une diminution du nombre de Reynolds.
Lorsqu'un champ de forage fonctionne dans la zone transitoire, entre Re = 2300 et Re = 4000, la réduction du débit par trou de forage peut augmenter de manière significative la résistance du trou de forage et, à son tour, réduire la capacité du champ de forage à faire face au déséquilibre, comme nous l'avons vu dans la section précédente. Cela signifie que même si le comportement à long terme s'améliore grâce à un meilleur transfert de chaleur avec le sol environnant, cet avantage peut être compensé par un transfert de chaleur plus faible à l'intérieur du champ de forage lui-même.
Par conséquent, lors de l'ajout de nouveaux trous de forage, il est toujours important de surveiller la résistance du trou et, dans la mesure du possible, d'augmenter le débit ou d'ajuster la configuration du trou, par exemple en choisissant entre un tube en U simple et double ou en modifiant le diamètre du tuyau, afin de maintenir la résistance aussi faible que possible.
Forages plus profonds
Le dernier recours des concepteurs de systèmes géothermiques pour faire face à un déséquilibre consiste à forer des trous de forage plus profonds. Cela modifie légèrement les fonctions g et donc le comportement à long terme, étant donné que les forages plus profonds offrent également une plus grande surface pour l'échange de chaleur avec le sol. En outre, un forage plus profond signifie généralement une température moyenne du sol plus élevée. Cette température plus élevée déplace vers le haut toutes les lignes du graphique de température ci-dessus, ce qui facilite la gestion du déséquilibre
Il convient de noter que cette solution n'est efficace que pour les champs de mines dominés par l'extraction. Lorsqu'un champ de forage connaît des problèmes liés à la température moyenne maximale du fluide, le forage plus profond n'est généralement pas une bonne solution, car les températures plus élevées du sol créeront des difficultés supplémentaires.
Conclusion
Dans ce chapitre, différentes stratégies pour faire face au déséquilibre dans la conception des champs de forage géothermiques ont été discutées. Il a été démontré que le déséquilibre affecte principalement le comportement à long terme du champ de forage en provoquant une dérive des températures, ce qui peut augmenter la taille requise du champ de forage et le coût de l'investissement.
Plusieurs solutions ont été présentées. L'amélioration du comportement à long terme par un plus grand espacement des forages, des configurations plus ouvertes ou des forages inclinés permet de réduire les interférences thermiques, tandis que l'amélioration du comportement à court terme par une résistance thermique effective plus faible des forages permet au système de gérer plus efficacement des déséquilibres plus importants. Des forages supplémentaires ou plus profonds peuvent également être utiles, bien que ces solutions ne soient pas toujours bénéfiques et dépendent fortement des conditions spécifiques du projet.
La principale conclusion est qu'il n'existe pas de solution universelle au déséquilibre. Chaque projet nécessite un équilibre minutieux entre la performance thermique, le comportement hydraulique et le coût d'investissement.