Le dispositif de Stockage saisonnier en Aquifère (ATES) de faible profondeur : Application au domaine urbain en contexte de changement climatique

The shallow Aquifer Thermal Energy Storage system : Application to urban areas in a context of climate change

• Auteur / Autrice : Jeremy Godinaud
• Direction : Alain Dupuy, François Larroque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies (terre, eau, image)
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Montaigne-Humanités (Pessac, Gironde ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géoressources et Environnement (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Cézac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Klepikova, Patrick Egermann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Cézac, René Therrien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Changements climatiques

Hydrogéologie

Géothermie

Mots clés libres

ATES

Géothermie

Hydrogéologie

Modélisation

Changement Climatique

Fibre Optique

Colmatage

ATES

Geothermal Energy

Hydrogeology

Modeling

Climate Change

Optical Fiber

Clogging

Résumé

Afin d’atténuer le réchauffement climatique, il convient de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre liées aux activités anthropiques. À l’échelle planétaire, le secteur du bâtiment est responsable d’environ 20 % des émissions de CO2. Dans ce contexte, le système de Stockage d’Énergie Thermique dans les Aquifères (ATES) peu profonds s’avère pertinent pour répondre aux besoins thermiques (chauffage et refroidissement) des bâtiments de taille importante tout en réduisant leurs émissions de gaz à effet de serre.Toutefois, trois questionnements peuvent être soulevés quant à la pérennité des ATES. La première problématique est inhérente au développement des îlots de chaleur souterrains en zone urbaine et de leurs effets sur le fonctionnement à long terme des ATES. Le deuxième point est relatif aux effets du changement climatique à long terme sur la demande thermique du bâtiment et les implications sur le fonctionnement des ATES. Enfin, la caractérisation et le suivi du vieillissement des forages de l’ATES (notamment les problématiques de colmatages et corrosion) apparaissent primordiales dans l’optique d’assurer un maintien de la performance des ouvrages. L’objectif de ces travaux de thèse est de donner des éléments de réponse à ces trois problématiques en développant différents outils. À travers une expérimentation basée sur le déploiement d’un dispositif de mesures thermiques distribuées via un câble de fibre optique placé dans des forages, il a été possible de mettre en évidence les zones colmatées des ouvrages. Ce dispositif peu intrusif pourrait s’avérer pertinent à développer pour un suivi de l’évolution du colmatage. Des stratégies de modélisation analytique et numérique ont été développées afin de mettre en évidence l’effet du réchauffement climatique et de l’artificialisation des sols sur la dynamique thermique du sous-sol en contexte urbain. Ces impacts ont été intégrés dans la modélisation à long terme du fonctionnement d’un système ATES théorique exploitant un aquifère peu profond. Différents scénarios climatiques et d’artificialisation des sols ont été testés. Il ressort que l’impact thermique dans le sous-sol et la performance des forages de l’ATES sont influencés par ces deux facteurs. Les stratégies de modélisation développées sont ensuite appliquées sur l’ATES pilote de l’ENSEGID, pour évaluer l’évolution à long terme du dispositif dans ce contexte de changement climatique. En complément, une analyse en cycle de vie permet de démontrer les bénéfices environnementaux du choix de l’ATES pour ce site, en comparant la solution retenue à d’autres solutions énergétiques plus classique et en remettant le choix local dans un contexte énergétique européen.

In order to mitigate global warming, greenhouse gas emissions from human activities must be significantly reduced. On a global scale, the building sector is responsible for about 20 % of CO2 emissions. In this context, Aquifer Thermal Energy Storage is a relevant technology to meet the thermal loads (heating and cooling) of large buildings while reducing their greenhouse gas emissions.However, three questions arise regarding the sustainability of the ATES. The first issue is inherent to the development of underground heat islands in urban areas and its effects on the long-term operation of the ATES. The second issue is related to the effects of long-term climate change on the thermal demand of buildings and the implications on the ATES operation. Finally, the characterization and monitoring of the aging of the ATES boreholes (especially regarding clogging and corrosion) appear to be essential in order to ensure the sustainability of the performance of the structures. The present work aims to develop different tools in order to explore these questions. Through an experiment based on the deployment of an active distributed temperature sensor technology via a fiber optic cable placed in boreholes, it was possible to highlight the clogged areas of the boreholes. This low-intrusive device could be relevant to develop a long-term monitoring strategy to follow borehole clogging evolution. Analytical and numerical modelling strategies were developed in order to highlight the effect of global warming and surface building-up on the thermal dynamics of the underground in an urban context. These impacts have been integrated in the long-term modeling of a theoretical ATES system exploiting a shallow aquifer. Different climatic and land reclamation scenarios were tested. It is shown that the thermal impact in the subsurface and the performance of the ATES boreholes are influenced by these two factors. The modelling strategies developed were then applied to the pilot ATES at ENSEGID, to evaluate the long-term evolution of the system in the context of climate change. In addition, a life cycle assessment is used to demonstrate the environmental benefits of the environmental benefits of the choice of the ATES for this site, by comparing the solution to other more conventional energy solutions to the European energy context.