Les Géosciences,
clés de développement
d’une énergie décarbonée

Le mix énergétique du futur réservera une part croissante aux énergies renouvelables et décarbonées. Source et espace de stockage d’énergie et de CO2, le sous-sol est amené à jouer un rôle majeur…

Enjeux de recherche

La terre, une mine d’idées
pour les énergies bas carbone

Les changements globaux – notamment climatiques – et leurs conséquences environnementales et socio-économiques imposent à nos sociétés de reconsidérer leur modèle de développement, en particulier sur le plan énergétique. Le BRGM, qui compte parmi les services géologiques européens les plus impliqués en recherche, est un acteur de premier plan de la transition énergétique, avec de nombreuses activités impliquant une exploitation durable des potentialités du sous-sol.

L'adoption du nouveau paquet énergie-climat lors du conseil européen les 23 et 24 novembre dernier impose une nette accélération de l’effort par rapport au plan précédent. Alors que l’objectif antérieur pour 2020 était une baisse de 20 % des émissions de gaz à effet de serre par rapport à 1990, le nouveau ambitionne une baisse de 40 % à l’horizon 2030. Pour atteindre cet objectif, les pays membres devront réduire par deux les émissions liées à la production d’électricité en 2030 et tendre vers zéro en 2050.

Les atouts du sous-sol largement sous-mobilisés
En région parisienne, une opération type
                        de géothermie permet de chauffer de 4 000
                        à 5 000 équivalent-logements
En région parisienne, une opération type de géothermie permet de chauffer de 4 000 à 5 000 équivalent-logements. © BRGM

Pour la France, qui compte moins de 10 % d’énergies fossiles dans la production d’électricité, cet objectif est peu contraignant. Les émissions des bâtiments et ceux de l’industrie quant à elles devront baisser respectivement de 37 % et de 34 % en 2030 par rapport à 1990. Enfin, à cette même échéance, 27 % d’énergie renouvelable devront contribuer à la consommation finale des 28 états membres. Mais force est de constater qu’à ce stade du déploiement de solutions technologiques pour une énergie bas carbone, les atouts du sous-sol sont largement sous-mobilisés. Pourtant, le sous-sol peut fournir des réponses uniques et précieuses pour accompagner efficacement et durablement la transition énergétique et écologique. En effet, l’exploitation des res­sources naturelles qui y sont présentes (comme la chaleur, le froid ou les métaux indispensables à la construction d’infrastructures de production d’énergie renouvelable) ou l’utilisation de son espace pour y stocker de l’énergie (chaleur, froid ou électricité) voire du CO2 (une des mesures d’atténuation du changement climatique) sont à encourager. Le développement de briques technologiques génériques clés pour l’usage du sous-sol et de ses ressources est un enjeu essentiel pour la conduite à maturité de filières d’avenir génératrices d’emplois, dont une bonne partie non-délocalisables. Au-delà de l’exploitation des ressources naturelles, l’économie circulaire pour les métaux mais également pour l’énergie fatale souvent issue de l’industrie est un sujet majeur pour répondre aux enjeux précités.

Un volume de stockage massif

Trois principaux marchés en géothermie (les pompes à chaleur géothermiques, les réseaux de chaleur géothermiques, la production d’électricité) présentent des développements contrastés en France (Métropole et Outre-mer) et à l’international pour des raisons qui ne sont pas toujours dominées par la technique. Les pompes à chaleur géothermiques affichent un recul sensible à l’échelle européenne depuis la crise en 2008. La raison principale en est le coût d’installation pour des logements individuels qui reste encore dissuasif comparé à des solutions dépendantes d’énergies fossiles. Le BRGM, qui dispose d’une plateforme d’essais des systèmes de pompes à chaleur géothermiques, s’emploie avec ses partenaires à lever les derniers verrous technologiques pour réduire les coûts. Pour les deux autres marchés, l’effort en recherche vise à généraliser les installations géothermiques et pour ce faire, la connaissance du sous-sol et des technologies à mettre en œuvre fait l’objet de beaucoup d’attentions. Le sous-sol offre aussi un volume de stockage massif qui peut répondre aux besoins de stockage temporaire d’électricité (sous forme d’hydrogène, d’air comprimé ou d’autres vecteurs) produite par des énergies intermittentes issues du solaire ou de l’éolien.

Principales sources d’émission de CO2
                          industrielles en Europe et bassins sédimentaires
                          contenant des formations géologiques profondes
                          propices au stockage de CO2
Principales sources d’émission de CO2 industrielles en Europe et bassins sédimentaires contenant des formations géologiques profondes propices au stockage de CO2. © Projet européen 6e PCRD EU GeoCapacity / FP6 EU Geocapacity project.

Permettant de stocker de fortes puissances avec des temps de décharge longs, le sous-sol offre des solutions complémentaires à celles proposées par l’électrochimique. Le BRGM a mobilisé une grande part de sa recherche autour de l’utilisation du sous-sol. Avec l’accord-cadre qui le lie à l’Ademe (voir article), en pilotant des projets de recherches internationaux, en conduisant ses propres programmes – qui associent le plus souvent des partenaires du monde industriel – en appuyant les pouvoirs publics sur les plans scientifique et réglementaire… l’établissement a développé une expertise qui en fait un interlocuteur privilégié des filières dédiées aux énergies.

Accompagner les filières

Le BRGM a récemment joué un rôle déterminant dans la création de Géodénergies, pôle d’excellence soutenu par le programme des Investissements d’avenir qui vise à favoriser et à accompagner le développement de trois filières consacrées à l’exploitation et à la gestion durable des ressources du sous-sol au service des énergies sans carbone : le stockage géologique de CO2, le stockage d’énergie et la géothermie. Organisé autour d’un groupement d’intérêt scientifique, ce pôle réunit six établissements publics de recherche, douze industriels et deux pôles de compétitivité.

Stockage souterrain d’électricité le
                          principe du CAES (Compressed Air Energy Storage)
                          est de stocker de l’air comprimé en heure creuse
                          pour le délivrer en heure de pointe
Stockage souterrain d’électricité : le principe du CAES (Compressed Air Energy Storage) est de stocker de l’air comprimé en heure creuse pour le délivrer en heure de pointe. © ENEA CONSULTING.

Toutes ces recherches et actions en faveur des énergies décarbonées intègrent systématiquement un volet socio-économique, notamment dans la mobilisation sociale pour les solutions proposées, et bien sûr la gestion des risques et impacts à court, moyen et très long terme.

PAR CATHERINE TRUFFERT
Directrice de la Recherche du BRGM

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Avancées du brgm

Des pistes multiples pour une
gestion décarbonée de l’énergie

Parce que le sous-sol doit contribuer, de manière croissante, au développement des énergies décarbonées, le BRGM conduit plusieurs programmes de recherche dédiés. Sur le plan énergétique d’abord, avec l’exploitation de la géothermie basse énergie pour la production de chaleur et de froid, jusqu’à des solutions visant la production d’électricité. Ses travaux sur le stockage de CO2 répondent à l’objectif de limitation des émissions de gaz à effet de serre, pour lutter contre le changement climatique.

À gauche, dispositif expérimental du
                      projet SOLHYTHER installé sur la plateforme
                      Géothermie du BRGM (au premier plan, instrumentation
                      du sol sur 2 m de profondeur en thermocouples et
                      tensiomètre ; au second plan, station météorologique).
                      À droite, prélèvement d’un échantillon de sol pour mesure
                      de ses propriétés thermiques en laboratoire
À gauche, dispositif expérimental du projet SOLHYTHER installé sur la plateforme Géothermie du BRGM (au premier plan, instrumentation du sol sur 2 m de profondeur en thermocouples et tensiomètre ; au second plan, station météorologique). À droite, prélèvement d’un échantillon de sol pour mesure de ses propriétés thermiques en laboratoire. © BRGM

Géothermie très basse-énergie :
une plateforme support pour des programmes de r&d

Créée en 2008 en association avec la Région Centre et l’Europe, la plateforme Géothermie du BRGM est destinée à tester les performances des échangeurs géothermiques enterrés. Elle intègre différents types d’échangeurs (horizontaux, verticaux, compacts) connectés à une machinerie thermodynamique capable de reproduire les sollicitations d’un ensemble pompe à chaleurbâtiment. Elle dispose d’une station météo complète et d’une instrumentation de pointe (mesures de température via un réseau de fibres optiques…). La plupart des travaux qui y sont conduits le sont en partenariat avec d’autres acteurs de la recherche en France et à l’international, pour le compte de la filière industrielle.

SOLHYTHER : améliorer la précision des modélisations d’échangeurs géothermiques de subsurface (< 10 m)

Projet ayant bénéficié du financement d’un postdoctorat dans le cadre de l’abondement « BRGM Institut Carnot », Solhyther visait à améliorer la prise en compte des échanges thermiques et hydriques, afin de mieux dimensionner les échangeurs horizontaux en fonction des conditions de sol, de température, d’humidité, d’exposition, de revêtement de surface… En 2013, une fosse pédologique a été creusée puis instrumentée à différentes profondeurs et une station météorologique complète a été installée. Ce dispositif expérimental a permis d’améliorer la précision d’un modèle d’échanges thermiques et hydriques développé à l’aide du logiciel Hydrus® et de le valider en conditions réelles, apportant de précieux enseignements sur la surface requise pour les échangeurs horizontaux en fonction de leurs conditions d’implantation.

CORGEOSOLA : optimiser le fonctionnement des corbeilles géothermiques en fonction des conditions d’implantation

Projet soutenu par la Région Centre, Corgeosola est dédié aux corbeilles géothermiques implantées dans la zone non saturée (3 à 4 m). Il vise à étudier l’influence du sous-sol sur la performance des échanges, notamment en cas de combinaison d’énergies renouvelables (« recharge » du sol avec la chaleur excédentaire provenant de panneaux solaires, par exemple). Un dispositif expérimental à échelle réduite est en cours d’installation en halle technique, afin de mesurer l’effet du gel ou de l’évaporation de l’eau interstitielle autour d’un tuyau d’échangeur géothermique sur la performance de l’échange thermique.

VERTHYGE : étudier l’impact des écoulements souterrains sur la performance des échanges thermiques

Quelle est l’influence des hétérogénéités géologiques et/ou de l’écoulement des eaux souterraines sur les performances des échangeurs géo­­thermiques verticaux ? Verthyge, qui s’est achevé fin 2014, s’est appuyé sur l’analyse de carottes prélevées sur 100 m de profondeur de la plateforme, des mesures géophysiques (diagraphies) dans les forages et des tests hydro­géologiques (pompage et traçage). Les températures du fluide mesurées (fibres optiques) à différents niveaux de l’échangeur et du sol ont été confrontées à ces données géologiques. Un prélèvement dans la formation des calcaires de Beauce visant à créer un écoulement local a été réalisé simultanément à un test de réponse thermique (TRT) sur un échangeur vertical. Une méthode d’interprétation distribuée du TRT pour l’estimation de la distribution verticale des propriétés du milieu en a résulté.

GECKO : augmenter le champ d’application des structures géothermiques

Projet partenarial subventionné par l’ANR (20112015), Gecko est dédié aux pieux de fondations de bâtiments équipés d’échangeurs (pieux géothermiques). Il vise à lever les verrous relatifs à l’évolution de la portance des fondations et des interactions avec la structure portée, afin d’appréhender la pertinence technico-économique de ces solutions et de les généraliser.
Les travaux du BRGM se focalisent sur l’analyse de cycle de vie de la solution ainsi que sur la réalisation d’un modèle de simulation thermique dynamique de champ de pieux qui pourrait, à terme, accompagner la conception et le dimensionnement des installations.
Le projet comporte une expérience sur un champ de pieux instrumentés. Il bénéficie de l’expérience acquise sur la plateforme, en particulier pour la mesure de température via un réseau de fibres optiques.

Géothermie haute-énergie :
stimulation hydraulique et comportement mécanique des zones de failles

Dans le cadre des recherches sur les ressources
                   géothermiques EGS (haute température), la modélisation
                   permet d’estimer l’augmentation de l’ouverture initiale
                   des failles, après stimulation et fermeture du puits (ici
                   dans les zones rouges, ouverture initiale multipliée par 60)
Dans le cadre des recherches sur les ressources géothermiques EGS (haute température), la modélisation permet d’estimer l’augmentation de l’ouverture initiale des failles, après stimulation et fermeture du puits (ici dans les zones rouges, ouverture initiale multipliée par 60). © BRGM

La stimulation hydraulique des puits géothermiques profonds (technologie EGS : Enhanced Geothermal System), qui vise à faciliter la circulation du fluide géothermique au sein de l’échangeur et à améliorer sa productivité, est une des clés du développement en Europe de la production d’électricité et/ou de chaleur d’origine géothermique (cogénération), à partir de réservoirs présentant des températures de 150 à 180 °C. Elle impose que soient mieux connus les impacts environnementaux de cette stimulation, notamment la sismicité induite au voisinage des puits d’injection et son effet spatial sur la perméabilité du réseau de failles constituant l’échangeur.
Une récente recherche a ainsi étudié l’influence, lors de stimulations hydrauliques, du comportement mécanique des zones de failles recoupant le puits sur la réponse hydraulique du réseau de failles 3D. Un modèle 3D, basé sur la méthode des éléments distincts et dans lequel les zones de failles recoupant le puits sont modélisées par des fractures numériques 2D, a été mis en œuvre.
La principale avancée par rapport aux travaux antérieurs (à échelle macroscopique) est une compréhension beaucoup plus fine du comportement des zones de failles, grâce à une prise en compte plus précise de leurs hétérogénéités et de leur complexité structurelle. Le modèle permet de mieux identifier et mesurer les impacts de la stimulation tant en matière d’amélioration de l’injectivité des puits que de sismicité induite.
Cette compréhension accrue du type de comportement mécanique en fonction du type de faille et du contexte géologique, devrait permettre d’optimiser la productivité et la maîtrise du risque pour tout projet futur d’exploitation de la géothermie profonde en Europe.

stockage géologique de co2 :
un suivi satellitaire à long terme du site

Comparaison des densités de réflecteurs
                     persistants (points jaunes, superposés à une
                     image d’amplitude radar) dans un contexte désertique
                     (In Salah - en haut) et dans un contexte Européen (en bas).
                     Une importante densité de points de mesure utilisables
                     favorise la mise en œuvre des techniques interférométriques.
Comparaison des densités de réflecteurs persistants (points jaunes, superposés à une image d’amplitude radar) dans un contexte désertique (In Salah - en haut) et dans un contexte Européen (en bas). Une importante densité de points de mesure utilisables favorise la mise en œuvre des techniques interférométriques. © BRGM

Le BRGM, leader européen sur la problématique du captage-stockage de CO2, a développé plusieurs programmes de recherche visant notamment la sécurisation des opérations et la surveillance du site à long terme. Le projet Amiral, soutenu par l’ADEME, est fondé sur l’utilisation de l’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR), avec pour objectif, à partir d’images satellitaires, d’analyser les déformations du sol qui pourraient résulter des processus d’injection de CO2 en profondeur. Appliquée avec succès dans le désert algérien sur le site gazier d’In-Salah, la technique – fondée sur l’existence de points dont la radiométrie est stable dans le temps (pouvant se situer sur des rochers, des bâtiments… dits « réflecteurs persistants ») – doit être adaptée aux conditions de stockage rencontrées en Europe où le couvert forestier ou agricole et la nature du sous-sol, ayant pour conséquence des déformations de surface moindres, constituent deux obstacles. Faute de site existant, la démarche consiste à reprendre les images satellitaires d’In-Salah, et à dégrader artificiellement sur certains secteurs (simulant des secteurs agricoles) le nombre de réflecteurs persistants et la qualité des données (amplitude, phase). Cette dégradation, confrontée aux images non dégradées, doit permettre une approche visant la prise en compte de l’environnement végétalisé, et ainsi d’évaluer l’efficacité potentielle des deux méthodes d’amélioration proposées, déjà appliquées dans d’autres contextes (glissements de terrain…) : la méthode des « cornets réflecteurs » (avec implantation sur le terrain de réflecteurs métalliques orientés vers le radar) et celle des « réflecteurs diffus » (identification de petits ensembles de pixels de l’image ayant un comportement de phase commun et pouvant compléter un réseau de « réflecteurs persistants » insuffisant).

stockage de CO2

CGS europe, une coordination européenne

Coordonné par le BRGM, le projet CGS Europe (www.cgseurope.net) (7e PCRD), impliquant 34 instituts de recherche dans 28 pays, s’est achevé fin 2013. Il s’est construit sur les fondations de CO2GeoNet (www.co2geonet.eu), le réseau d’excellence européen sur le stockage géologique du CO2. Outre l’organisation de nombreux événements et la publication de divers rapports, il a permis de donner une envergure pan-Européenne à CO2GeoNet, riche aujourd’hui de 25 membres issus de 17 pays. CO2GeoNet a obtenu l’accréditation de la Convention-cadre des Nations-Unies sur les changements climatiques (CCNUCC) en tant qu’observateur, et contribuera à la conférence COP-21 à Paris en 2015.

géothermie

1er technical meeting du projet européen fp7 “image”

Après le lancement en 2013 du projet européen Image (Integrated Methods for Advanced Geothermal Exploration), qui vise à développer une approche intégrée de l’exploration géothermale, le BRGM a accueilli en avril 2014 le 1er Technical meeting, qui a réuni 38 participants issus de 8 pays. (http://www.image-fp7.eu).

Distinction

Remise d’un « best presentation award » à portland

Au congrès GRC de Portland (USA) en octobre, l’exposé “Toward a Continuum Geothermal Model to Explain Coexistence of Medium to High (100 to 250°C) Temperature Geothermal Systems in Martinique and Guadeloupe”, consacré au projet « Complément d’exploration géothermique Martinique » (BRGM / CFG Services) a reçu un « Best Presentation Award ».

International

Traçage des fluides de fracturation hydraulique

L’expansion de l’industrie du gaz non conventionnel génère des interrogations sur la contamination des ressources en eau. Pour identifier la présence des fluides de fracturation dans l’environnement, le BRGM et l’université de Duke (Caroline du Nord) ont travaillé à l’identification de traceurs élémentaires et isotopiques. Ces recherches ont fait la une du site web de Duke et de Environmental Science & Technology (http://pubs.acs.org/journal/esthag).

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Institut carnot

Un chercheur au brésil, dans le
cadre du projet européen hpgca

Grâce au ressourcement Carnot, Fabrice Dupros, ingénieur en calcul scientifique au BRGM, a passé six mois à l’Université Fédéral du Rio Grande do Sul à Porto Alegre. Objectif : améliorer les performances des modèles de simulation utilisés en risques sismiques en s’appuyant sur de nouvelles architectures de calcul.

Remise à Fabrice Dupros (au centre)
                      d’un « Best Paper Award »
                      en octobre 2014 à la maison de l’Amérique
                      Latine à Paris (à gauche : P. O.A. Navaux
                      (UFRGS) à droite : A. Goldman (USP).
Remise à Fabrice Dupros (au centre) d’un « Best Paper Award » en octobre 2014 à la maison de l’Amérique Latine à Paris (à gauche  P. O.A. Navaux (UFRGS)  à droite  A. Goldman (USP). © BRGM

La labellisation « Institut Carnot » dont le BRGM bénéficie depuis 2006, consacre l’engagement de l’établissement, en France et à l’international, dans des actions de recherche partenariale avec les acteurs économiques. Elle lui permet de bénéficier, de l’ANR, d’un abondement financier destiné notamment à accompagner la mobilité internationale de chercheurs. Une mobilité de six mois (juillet à décembre 2013), a ainsi bénéficié à Fabrice Dupros dans le cadre du projet HPGCA (“High Performance Computing for Geophysics Applications”), un projet européen du 7e PCRD (2012-2014) qui associe plusieurs partenaires académiques et scientifiques français aux universités de Mexico (UNAM) et de Porto Alegre (UFRGS), et vise à renforcer la collaboration entre l’Europe et l’Amérique du sud.

Explorer la voie des processeurs embarqués
Scénario du séisme de Marmara (7,3 Mw).
Scénario du séisme de Marmara (7,3 Mw).

« Les outils actuels de simulation en géophysique, domaine sur lequel le BRGM a une forte antériorité, explique Fabrice Dupros, requièrent de très importantes puissances de calcul et génèrent de grosses consommations énergétiques, freins à l’amélioration de leurs performances. Or nos partenaires brésiliens possèdent une bonne maîtrise des architectures basse consommation avec processeurs embarqués. Nous avons donc travaillé avec l’équipe du Professeur P. Navaux, l’INRIA et une PME française spécialisée, Kalray, afin de faire tourner nos applications sur ce type d’architecture. » Des résultats très satisfaisants ont été obtenus, démontrant la pertinence de cette alternative à l’utilisation de processeurs généralistes. Trois publications en ont résulté.* Suite à cette première collaboration, trois étudiants brésiliens ont été accueillis au BRGM pour poursuivre ces travaux, deux en thèse, un autre comme assistant professeur.
« Ce type d’échange, conclut Fabrice Dupros, est clairement beaucoup plus efficace qu’une communication à distance, et nous a ouvert de nouvelles perspectives. Le BRGM et l’Université Fédéral du Rio Grande do Sul souhaitent encadrer une thèse en commun ayant pour thème la modélisation sismique sur architectures parallèles hétérogènes, permettant ainsi de pérenniser leur collaboration scientifique. »

* M. Castro, E. Francesquini, F. Dupros, H. Aochi, J.-F. Méhaut, and P.O.A. Navau : On the Energy Efficiency of Seismic Wave Propagation Simulations on Low-power and High Performance Manycores: submitted to Parallel Computing (2014) M. Castro, F. Dupros, E. Francesquini, J-F.  Méhaut, and P. O. A. Navaux : Energy Efficient Seismic Wave Propagation Simulation on a Low-power Manycore Processor. In : International Symposium on Computer Architecture and High Performance Computing : IEEE Computer Society, pp. 57-64 – Best Paper Award (2014) E. Francesquini, M. Castro, P.H. Penna, F.  Dupros, H.C. Freitas, P.O.A. Navaux, J.-F. Méhaut : On the Energy Efficiency and Performance of Irregular Application Executions on Multicore, NUMA and Manycore Platforms. In : International Journal of Parallel and Distributed Computing (2014)