Impact hydraulique et thermique de l’exploitation géothermique des aquifères superficiels
Contexte de réalisation
La géothermie très basse énergie, exploitant par doublet de forages l’énergie des nappes d’eau souterraine, connaît actuellement une forte progression qui est vouée à s’amplifier. Il est donc apparu nécessaire d’organiser une gestion raisonnée des aquifères superficiels en contexte urbain, afin d’optimiser leur exploitation thermique et d’éviter les conflits d’usage. La mise en place de cette gestion suppose pour les autorités qui en ont la charge de disposer d’outil d’anticipation, permettant d’évaluer les impacts de nouvelles installations sur les installations existantes et sur la globalité de l’aquifère exploité.
Dans ce contexte, le BRGM et l’ADEME ont initié le développement d’outils simplifiés qui, tout en tenant compte des particularités des aquifères superficiels (variabilité des écoulements souterrains, relations avec les écoulements de surface, etc.), permettront :
- d’appréhender l’impact hydraulique et thermique d’un doublet de prélèvement-injection;
- d’évaluer l’incidence de la proximité d’exploitations similaires et les interférences mutuelles entre puits.
Objectifs
Les objectifs fixés sont donc :
- d’explorer les pistes de développement d’outils simples et didactiques de gestion des ressources énergétiques des aquifères superficiels ;
- de définir les modes d’exploitation de tels outils par les autorités en charge de la gestion des ressources en eau.
Exemple d’outil d’évaluation
Programme des travaux
Le BRGM a retenu l’association d’outils de calculs et de représentations cartographiques existants :
- logiciel MARTHE de modélisation hydrodynamique et thermodynamique, pour résoudre les équations élémentaires de transport de fluide et de transport d’énergie thermique en aquifère ;
- codes de calcul analytiques permettant, moyennant certaines hypothèses de calcul, de résoudre les mêmes équations ;
- logiciel ArcGis (SIG) pour rassembler et représenter cartographiquement les informations relatives au milieu, et les résultats des calculs. Il permet également de piloter les calculs de façon simple pour l’utilisateur.
Le projet s’est déroulé sur un programme de deux ans comprenant :
- la synthèse de l’état des connaissances et des pratiques en termes d’évaluation des impacts hydraulique et thermique de prélèvements sur nappe libre,
- le développement d’une ou plusieurs méthodes simplifiées d’évaluation des impacts hydraulique et thermique d’opérations géothermiques sur aquifères superficiels,
- l’application à un aquifère peu complexe disposant d’un modèle hydrodynamique,
- la synthèse des développements.
Résultats obtenus
En 2009, 3 méthodes simplifiées d’évaluation des impacts hydraulique et thermique, appliquées à un aquifère peu complexe disposant d’un modèle hydrodynamique, ont permis d’élaborer trois prototypes:
- Prototype 1 : basé sur le couplage SIG/modèle hydrodynamique et thermique ;
- Prototype 2 : basé sur le couplage SIG/codes de calcul analytique des impacts thermiques - « méthode des vecteurs vitesse » ;
- Prototype 3 : basé sur le couplage SIG/codes de calcul analytique des impacts thermiques - « méthode des bulles thermiques ».
Chacun d’eux présentent des avantages et inconvénients :
- Prototype 1 : codes de calcul précis, mais échelle de travail limitée par le maillage à grande échelle du modèle et temps de calculs potentiellement longs. Intérêt pour une gestion d’aquifère à l’échelle régionale ;
- Prototypes 2 et 3 : calculs moins précis (analytiques), mais échelle de travail plus fine. Intérêt pour une gestion d’aquifère à une échelle très locale (rend compte des interactions entre forages proches).
En 2010, un quatrième prototype, faisant la synthèse des précédents, a été élaboré, afin de réduire ces inconvénients.
Cet outil semi-analytique a été testé sur l’aquifères des alluvions du Rhône à Lyon. Il se base sur l’association SIG (pilotage des calculs et représentation des résultats)/calculs par modélisation hydrodynamique (Marthe)/calculs analytiques sous SIG (ArcGis). Il permet de réaliser des calculs des impacts hydraulique et thermique et de prendre en compte la variabilité spatiale des écoulements souterrains. Il est adapté à l'échelle d'une installation géothermique et à l’échelle d’un aquifère dans sa globalité. Il présente néanmoins quelques limites : il nécessite la disponibilité d'un modèle ou son élaboration ; il nécessite également une actualisation régulière du modèle et son exploitation requiert des compétences en géomatique.
Les limites techniques à leur utilisation, ainsi que les limites de validité scientifique des résultats qu’ils fournissent, doivent être précisées. Dans tous les cas, ces outils n’ont pas vocation à être utilisés pour réaliser des études de faisabilité environnementale et de dimensionnement d’opération.
Partenaire
ADEME
