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Vue de la surveillance de cavités minières par les agents du BRGM. Ces anciennes exploitations du bassin ferrifère lorrain présentent des risques d'affaissement, d'effondrement etc. Le BRGM est chargé de la prévention et de la sécurité de l'après-mine (Moyeuvre-Grande, Moselle, 2012). © Laurent Mignaux - MEDDE

Potentiel de valorisation géothermique des anciens sites miniers : état des lieux en Europe et en France et focus sur le bassin ferrifère lorrain

27.08.2018
Dans le contexte de la transition énergétique, l’évaluation du potentiel d’énergie géothermique des anciens sites miniers pour une utilisation pour le chauffage et/ou le refroidissement constitue actuellement un enjeu. En complément d’initiatives locales passées ou en cours, le BRGM a dressé, avec le soutien de l’ADEME, un état des lieux des projets de valorisation géothermique existants dans les pays voisins européens ainsi que des études réalisées à ce jour au niveau national. L’objectif de cet état des lieux est d’identifier les conditions favorables et les verrous potentiels relatifs à la valorisation géothermique des anciens sites miniers.

Au niveau mondial, une étude bibliographique a ainsi permis de recenser une trentaine d’opérations exploitant l’énergie géothermique d’anciens sites miniers principalement en Europe du Nord-Ouest, aux États-Unis et au Canada. La majorité des opérations identifiées en Europe se situe en Allemagne, avec 13 opérations valorisant la chaleur des mines ennoyées, et au Royaume-Uni, avec sept opérations. Dans de nombreux cas, les projets valorisent l’énergie géothermique d’anciennes mines de charbon (houille et/ou lignite), certaines opérations concernent également d’autres mines (argent, cuivre, étain, fer, uranium). Si quelques projets ont été initiés dans les années 1980, suite à la fermeture progressive de l’exploitation des mines, la majorité a démarré après 2000.

Au niveau national, l’état des lieux des projets de valorisation géothermique des anciennes mines a été établi sur la base des rapports d’études réalisées par les entités régionales du BRGM, entre 2008 et 2017, ce qui a permis de recenser quatre cas d’études analysant le potentiel géothermique des mines françaises.

En termes de réalisation opérationnelle, c’est le projet de valorisation géothermique de l’ancienne mine de charbon ennoyée de Gardanne (Bassin d’Aix-Gardanne) en Provence-Alpes-Côte d’Azur (13) qui est, à ce jour, le plus avancé et devrait conduire, d’ici fin 2018, à la réalisation d’une opération pilote permettant d’alimenter en chaleur et en froid la ZAC Morandat (65 500 m² de bâtiments dédiés essentiellement à des activités tertiaires et économiques) par un réseau en boucle tempérée.

Carte de localisation des projets de valorisation géothermique d’anciennes mines en Europe (en rouge, localisation du projet en France en cours de réalisation). © BRGM

Carte de localisation des projets de valorisation géothermique d’anciennes mines en Europe (en rouge, localisation du projet en France en cours de réalisation). © BRGM

Contexte

De manière conventionnelle, l'énergie géothermique des sols et des roches (et des fluides associés tels que les eaux souterraines ou la saumure) est exploitée via des puits forés, avec des sondes pour les systèmes en boucle fermée, ou par pompage des eaux souterraines pour les systèmes en boucle ouverte. Si le coût unitaire par kilowattheure produit peut-être significativement inférieur à celui d’autres sources d'énergie, la mise en œuvre d’un système géothermique nécessite généralement des coûts d'investissement initiaux importants, afin de construire les puits géothermiques ou les collecteurs enterrés nécessaires.

Dans le cas des anciens sites miniers, une grande partie du travail requis pour l’établissement d’une infrastructure géothermique est déjà réalisée. En effet, l’industrie minière met en œuvre puis « abandonne » des structures majeures dans le sous-sol (fosses à ciel ouvert, puits miniers, galeries souterraines, vides miniers résiduels non comblés, systèmes de pompage) : les coûts d'investissement pour exploiter l'énergie thermique provenant des travaux miniers ennoyés sont ainsi réduits d’autant.

Devant cette opportunité, de nombreux projets et études ont été réalisés ou sont en cours de réalisation, à l’échelle nationale ou européenne, afin de mieux caractériser les mines et évaluer leur potentiel d’énergie géothermique pour une utilisation pour le chauffage et/ou le refroidissement.

Objectifs

Le projet VALGEOMIN, réalisé avec le soutien de l’ADEME, a pour objectif d’établir un état des lieux des projets existants dans les pays voisins européens ainsi que des études réalisées au niveau national afin d’identifier les conditions favorables et les verrous potentiels relatifs à la valorisation géothermique d’anciens sites miniers.

Programme des travaux

L’étude consiste, pour l’échelle européenne et sur la base d’une bibliographie internationale à :

  • dresser l’état des lieux des projets réalisés à ce jour ;
  • comparer les principales caractéristiques des projets et des différents systèmes de valorisation de l’énergie géothermique mis en place ;
  • et lister les conditions favorables et verrous potentiels rencontrés à ce jour.

Au niveau national, l’étude :

  • décrit le contexte de « l’après-mine » suite à la fermeture de la majorité des mines en France ;
  • propose une synthèse des études concernant la valorisation géothermique des mines sur la base des rapports d’études réalisées par les entités régionales du BRGM entre 2008 et 2017 ;
  • et conclut sur les perspectives de valorisation géothermique des mines en France.

Au niveau national, 4 cas d’études analysant le potentiel géothermique des mines françaises, ont ainsi été recensés :

  • un projet Interreg IIIB N-W Europe « MINEWATER » sur la valorisation géothermique du Bassin houiller de Lorraine (2004-2008) ;
  • plusieurs projets de valorisation géothermique de l’ancienne mine de charbon ennoyée de Gardanne (Bassin d’Aix-Gardanne, Provence-Alpes-Côte d’Azur, 2013-2016) ;
  • un projet sur le potentiel géothermique basse énergie sur aquifères profonds et sur eaux de mines (Bassin Houiller NPC) en région Hauts-de-France (2015-2017) ;
  • un projet sur le potentiel géothermique du Bassin ferrifère lorrain (2014-2017).

Résultats obtenus

Parmi les différents systèmes analysés, on distingue les systèmes en « boucle fermée » et les systèmes en « boucle ouverte » avec pompage dans un puits minier puis rejet en surface ou réinjection de l’eau dans la mine.

Le cas d’une boucle ouverte avec rejet en surface survient lorsqu’il y a déjà un pompage en place dans un puits minier pour contrôler le niveau d’eau dans la mine (e.g. projets aux Asturies en Espagne, à Bochum en Allemagne, à Bytom en Pologne, à Caphouse et Dawdon en Angleterre ou à Essen en Allemagne). Il s’agit alors simplement de valoriser thermiquement cette eau avant de la rejeter en rivière.

Dans le cas d’une boucle ouverte avec réinjection dans la mine, deux types de systèmes sont utilisés. Le premier est basé sur une réinjection dans un second puits ou forage (cf. notamment les projets à Freiberg et Marienberg en Allemagne, à Heerlen aux Pays-Bas ou à Lumphinnans et Shettleston en Ecosse), tandis que pour le deuxième, dit de type PACP (puits à colonne permanente), la réinjection est effectuée dans le même puits, à un niveau différent (cf. notamment les projets à Egremont et Markham en Angleterre ou encore à Gardanne en France).

La réinjection dans une partie différente de la mine est la plus courante. Ce système permet d’exploiter un volume d’eau beaucoup plus important (une partie du réseau de galeries aux alentours du puits de pompage) et de limiter les interactions thermiques entre le fluide produit et réinjecté. Les puissances installées sont en général plus grandes et peuvent atteindre quelques centaines de kilowatts à plusieurs mégawatts.

Dans le cas des systèmes en boucle ouverte de type PACP, la puissance thermique extractible est plus limitée, de l’ordre de quelques dizaines de kilowatts pour 100 m de profondeur. Pour ce type de système (grande profondeur par rapport au diamètre), le phénomène de convection naturelle, fréquemment observé dans les puits et qui provoque une homogénéisation de la température entre le haut et le bas de la colonne d’eau dans les puits, est à prendre en compte dans l’étude du projet d’installation géothermique.

La principale contrainte, ou limite, des systèmes en boucle ouverte réside dans les caractéristiques géochimiques des eaux de la mine. En effet, une eau riche en fer dissous conduira à la précipitation d’oxy-hydroxydes de fer au contact de l’oxygène de l’air, ce qui risque de provoquer des dommages comme, par exemple, le colmatage des filtres et des échangeurs de chaleur. Dans ce cas, il a été constaté qu’il est préférable de prélever la chaleur avant toute mise en contact de l’eau avec l’oxygène atmosphérique, par exemple sur l’eau brute, et non l’eau traitée, dans les bassins d’aération (cf. Dawdon).

Les systèmes en boucle fermée sont quant à eux plutôt utilisés pour de petites installations ou lorsque le système aquifère constitué du réseau de galeries en contact avec la nappe ne dispose pas des propriétés adéquates (débit extractible, caractéristiques géochimiques du fluide) : le fluide caloporteur circule alors dans un système fermé placé dans un puits minier ou bassin de traitement des eaux de mine. Les projets répertoriés utilisant des boucles fermées sont le site de Caphouse en Angleterre (échangeur de chaleur immergé dans un bassin de traitement de l’eau), les sites de Folldal et Konsberg en Norvège et le site de Marl en Allemagne (échangeurs verticaux dans des puits miniers).

Les principaux avantages de ces systèmes sont que l’eau de mine ne nécessite pas d’être pompée, réinjectée ou mise en circulation dans les échangeurs de chaleur ou pompes à chaleur. Le principal inconvénient de ces systèmes réside dans le fait que la puissance thermique extractible reste limitée, à moins de multiplier le nombre d’échangeurs dans les bassins de traitement des eaux ou, dans le cas d’échangeurs fermés dans des puits miniers, de disposer d’une grande profondeur (> 1 000 m).

Plus spécifiquement, en 2017, la Direction régionale Grand Est du BRGM a livré les résultats d’une étude du potentiel géothermique du bassin ferrifère lorrain, réalisée en partenariat avec l’ADEME et la Région Grand Est. La connaissance de ce potentiel était en effet restreinte, or les principaux réservoirs miniers ennoyés du bassin constituent une réserve de près de 500 millions de m3 d’eau souterraine, ce qui représente une opportunité d’exploitation géothermique importante. Cette étude a permis d’évaluer le potentiel géothermique de l’eau des réservoirs miniers par croisement de trois critères : la profondeur des travaux miniers, le type de milieu souterrain créé par les travaux miniers (galeries laissées en place ou zones de galeries effondrées) et la température de l’eau.

L’ensemble des informations utiles sur la structure et le fonctionnement des réservoirs miniers, ainsi que sur les points d’accès à la ressource géothermique, est ainsi mis à disposition. Des recommandations pour la sélection de systèmes géothermiques adaptés aux réservoirs miniers sont également disponibles. Les principaux critères de sélection discutés sont la température de l’eau et son évolution, la profondeur et la nature des travaux miniers, la profondeur du niveau de l’eau, le débit exploitable, la composition chimique de l’eau et son évolution.

Des cartes sectorielles ont également été élaborées à l’attention des collectivités territoriales concernées afin qu’elles puissent s’approprier les résultats de l’étude. Chaque carte sectorielle présente le potentiel géothermique de la zone ainsi que les zones urbanisées et les zonages réglementaires et est accompagnée d’un résumé de l’étude et d’un rappel de la réglementation applicable.

Partenaires

  • ADEME
  • Région Grand Est

RAPPORTS PUBLICS

Projet VALGEOMIN - Potentiel de VALorisation GEOthermique des anciens sites MINiers. Etat des lieux en Europe et en France. Rapport final. - RP-67529-FR

Etude du potentiel géothermique du bassin ferrifère lorrain. Rapport final. - RP-67079-FR

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34