CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Changement d'échelle et simulation des flux de chaleur pour amélioer l'efficacité des systèmes géothermiques profonds – UPGEO

Changement d’échelle et simulation des flUx de chaleur Pour améliorer l’efficacité de systèmes GEOthermiques profonds - UPGEO

En France, les réseaux de chaleurs sont en grande partie dépendants des combustibles fossiles (42%), et la part de la géothermie profonde représente moins de 5%. Son déploiement dans les métropoles est limité par un risque géologique difficilement prédictible. UPGEO travaillera à mettre au point un outil numérique prédictif permettant d’effectuer des simulations thermo-hydro-mécaniques et d’évaluer la performance d’un lieu donné en Ile-de-France sur son potentiel géothermique.

Gestion des risques géologiques, prédiction de l'efficacité et de la durabilité des doublets géothermiques en domaine sédimentaire

La géothermie, c’est-à-dire la mobilisation de la chaleur contenue dans le sous-sol à très basse, basse ou haute température, est l’une des méthodes pour réaliser la transition énergétique. La nouvelle programmation pluriannuelle de l’énergie renouvelable vient de revoir à la baisse les objectifs en terme de déploiement de la géothermie profonde en France, notamment en raison des risques géologiques élevés qu’une opération nouvelle n’obtienne pas une ressource géothermique présentant des caractéristiques de débit et de température suffisantes pour assurer la rentabilité du projet pendant sa durée de vie. Ce risque géologique constitue un obstacle au développement futur de la géothermie en France et en Ile-de-France. Ce projet consistera à travailler sur des méthodes innovantes de modélisation en proposant des solutions qui optimisent et explorent le développement de nouvelles zones en domaine sédimentaire. Cette optimisation nécessite (1) une connaissance précise de l’hétérogénéité du réservoir en termes de géométries sédimentaires, porosité/perméabilité, connectivité du réservoir et (2) des simulations numériques fiables des écoulements et flux de chaleur à +30 ans, voire +100 ans après le début de la production. <br /> <br />Le principal objectif du projet est de réussir le changement d’échelle entre la perméabilité mesurée en laboratoire et la connectivité sédimentaire des corps réservoirs à l’échelle kilométrique. La façon d’homogénéiser les coefficients efficaces comme la porosité, la perméabilité, la déformation mécanique (tenseur de Gassman et coefficient de Biot) ou la dispersion thermique effective par des équations valables en tout point pour les constituants fluides et solides constituera le défi majeur de ce projet qui nécessitera de coupler des données et concepts géologiques et mathématiques. Un des challenges sera d’associer deux communautés scientifiques travaillant rarement ensemble en France : géologues et mathématiciens.

L'approche et les méthodes utilisées dans UPGEO seront :
- Utiliser des diagraphies de puits, en particulier la RMN, et des échantillons de carottes ou cuttings au µCT scan pour caractériser les faciès, la microstructure et les propriétés pétrophysiques.
- Utiliser des statistiques pour peupler les faciès et les géométries stratigraphiques des réservoirs carbonatés et silicoclastiques.
- Intégrer des données provenant d'analogues à l'affleurements par acquisition photogrammétrique par drones dans l'optique de réaliser des modèles réservoirs 3D.
- Proposer de nouveaux concepts de connectivité des réservoirs, à partir de modèles géostatistiques, pour accroître la fiabilité des simulations d'écoulement.
- Proposer de nouvelles équations pour le changement d'échelle i.e. équations Thermo-Hydro-Mécanique (THM), incluant les équations quasi-statiques de Biot, pour la simulation d'écoulement dans des sables non fracturés et dans des réservoirs silicoclastiques et carbonatés fracturés.
- Implémenter des codes de simulation intégrant l'upscaling dans des plug-ins spécifiques sur des plateformes telles que Eclipse, PumaFlow, OpenGeoSys ou DuMuX.
- Élaborer des modèles prédictifs pour la simulation de l'écoulement dans les systèmes sédimentaires géothermiques carbonatés et clastiques.
- Proposer une application de la nouvelle méthode à une installation spécifique pour estimer le risque géologique de l'exploration géothermique profonde dans le Bassin de Paris, et ainsi aider à la décision pour une municipalité ou agglomération qui souhaiterait construire un doublet géothermique.
- Fournir un flux de travail novateur pour la simulation applicable à d'autres bassins sédimentaires.

UPGEO propose de se concentrer principalement sur l’étude des caractéristiques fines des deux principaux réservoirs géothermiques (calcaires du Jurassique moyen et sables du Crétacé inférieur) de la région Ile-de-France.
Le modèle géologique mis au point servira à simuler l'écoulement, l'évolution mécanique et thermique d'un système géothermique au cours du temps à l'aide de nouveaux codes mathématiques pour la simulation de l'écoulement, y compris les caractéristiques Thermo-Hydro-Mécanique (THM) et de nouveaux indicateurs de connectivité des réservoirs. Il fournira également des informations innovantes à d'autres grandes villes/régions intéressées par la simulation hydrodynamique de systèmes géothermiques profonds. Les données géologiques (diagraphies, faciès, pétrophysique) seront géolocalisées en 3D dans le géomodélisateur Petrel. Le code de simulation intégrant la mise à l'échelle par les équations THM sera intégré sous forme de plug-in sur des plateformes existante telle que DuMux. Eclipse, PumaFlow, ...). Les résultats attendus devront permettre de proposer un outil numérique prédictif permettant d’effectuer des simulations THM et d’évaluer la performance d’un lieu donné sur son potentiel géothermique en termes de porosité/perméabilité, de productivité, de température, de quantité d’énergie. Il s’agit d’être en mesure de fournir un outil d’aide à la décision pour la mise en place des futurs puits géothermiques en donnant des critères de risque à prendre en compte pour le placement des futurs doublets. Le modèle sera évolutif et pourra être mis à jour avec de nouvelles données géologiques de puits (nouvelles diagraphies).

Les résultats attendus de ce projet contribueront à une meilleure compréhension des systèmes géothermiques profonds dans une grande métropole (Paris). Il nous aidera à affiner nos connaissances sur la simulation de l'écoulement, y compris l'évolution thermique des eaux souterraines. UPGEO permettra d'optimiser la mise en place de nouveaux doublets géothermiques et de développer ainsi l'utilisation du chauffage en réseau, qui ne produit que de faibles quantités de gaz à effet de serre. UPGEO répond aux enjeux de la transition énergétique pour une croissance verte fixés par la loi du 18 août 2015. Les travaux fondamentaux du projet UPGEO devraient permettre de développer de nouvelles méthodologies pour réduire significativement le coût de l'évaluation du potentiel géothermique autour de Paris pour les collectivités publiques (commune, agglomération, métropole du Grand Paris...), quantifier et réduire les risques géologiques. Les simulations réduiront au minimum les conflits potentiels d'utilisation de la ressource en eau (eau potable versus eau chaude ou stockage). L'expertise acquise sur les aquifères gréseux et carbonatés d'Ile-de-France pourra être exportée ailleurs, dans de grandes métropoles où le contexte géologique est celui d'un bassin sédimentaire, en France ou à l'international (Bordeaux, Lille, Lyon, bassin de Genève, Bavière, Amsterdam...).

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La géothermie, c'est-à-dire la mobilisation de la chaleur contenue dans le sous-sol à très basse, basse ou haute température, est l'une des méthodes pour réaliser la transition énergétique. La stratégie énergie-climat de l’Ile-de-France prévoit d'augmenter assez significativement à l’horizon 2030 la production de chaleur par géothermie profonde (x3,5 par rapport à 2015). Le rythme de développement actuel ne permettra pas d'atteindre cet objectif. Il faudrait atteindre un taux de 6 à 10 fois supérieur. La nouvelle programmation pluriannuelle de l’énergie renouvelable vient de revoir à la baisse ces objectifs en terme de déploiement de la géothermie profonde en France. Les retours d'expérience sur les opérations récentes en France ont soulevé des problèmes techniques et/ou scientifiques pour un fonctionnement efficace et durable des doublets géothermiques, tels que le risque élevé, mais non quantifié, de faible débit d'eau / faible épaisseur du réservoir (métrique), le risque d'interférence entre doublets géothermiques dans les zones urbaines à forte densité d’infrastructures ou le risque de percée thermique précoce. Il existe un réel risque qu'une opération nouvelle n'obtienne pas une ressource géothermique présentant des caractéristiques de débit et de température suffisantes pour assurer la rentabilité du projet pendant sa durée de vie. Ce risque géologique constitue un obstacle au développement futur de la géothermie en France et en Ile-de-France. Il est clairement établi dans la stratégie énergie-climat de travailler à l'innovation en proposant des solutions qui optimisent et explorent le développement de nouvelles zones. Cette optimisation nécessite (1) une connaissance précise de l'hétérogénéité du réservoir en termes de géométries sédimentaires, porosité/perméabilité, connectivité du réservoir et (2) des simulations numériques fiables des écoulements et flux de chaleur à +30 ans, voire +100 ans après le début de la production. Le principal objectif est de réussir le changement d'échelle entre la perméabilité mesurée en laboratoire et la connectivité sédimentaire des corps réservoirs à l'échelle kilométrique. La façon d’homogénéiser les coefficients efficaces comme la porosité, la perméabilité, la déformation mécanique (tenseur de Gassman et coefficient de Biot) ou la dispersion thermique effective par des équations valables en tout point pour les constituants fluides et solides constituera le défi majeur de ce projet qui nécessitera de coupler des données et concepts géologiques et mathématiques.

Coordinateur du projet

Monsieur Benjamin Brigaud (Géosciences Paris-Sud)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LSCE Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement
LMO Laboratoire de mathématiques d'Orsay
ICJ Institut Camille Jordan
G&E GEORESSOURCES & ENVIRONNEMENT
IFPEN Direction Géosciences
GPC-IP GPC INSTRUMENTATION PROCESS / R&D
GEOPS Géosciences Paris-Sud
BRGM BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES

Aide de l'ANR 689 391 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2020 - 48 Mois

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