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Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissemen

Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères en France : étude de préfaisabilité Application of aquifer thermal energy storage for heating and cooling of greenhouses in France : a prefeasibility study Rapport final BRGM/RP-55481-FR avril 2007 Brgm Service Géologique Régional Languedoc- Roussillon 1039, rue de Pinville 34000 Montpellier Tél. : 04 67 15 79 80 Ctifl Centre Technique Interprofessionnel des Fruits et Légumes BP 32 30127 Bellegarde Tél. : 04 66 01 10 54 Nathalie Courtois, Jean-Pierre Marchal, André Menjoz, Pascal Monnot, Yves Noël, Vincent Petit, Dominique Thiéry (Brgm) Ariane Grisey, Dominique Grasselly (Ctifl) Contrat ADEME n°05 74 C0118 Juin 2006 – Avril 2007 Responsable ADEME : Eric Vésine Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères en France : étude de préfaisabilité Rapport final BRGM/RP-55481-FR avril 2007 Étude réalisée dans le cadre du projet de Recherche du BRGM ENER13 N. Courtois, J.P. Marchal, A. Menjoz, P. Monnot, Y. Noël, V. Petit, D. Thiéry (Brgm) A. Grisey, D. Grasselly (Ctifl) Vérificateur : Nom : Alain DESPLAN Date : Signature : (Ou Original signé par) Approbateur : Nom : Marc AUDIBERT Date : Signature : (Ou Original signé par) Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I M 003 - AVRIL 05 Mots clés : Stockage thermique en aquifère, serres maraîchères, chauffage, refroidissement, échangeurs thermiques, pompe à chaleur, modélisation numérique, étude de sensibilité. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Courtois N., Marchal JP., Menjoz A., Monnot P., Noël Y., Petit V., Thiéry D., Grisey A. (Ctifl), Grasselly D. (Ctifl) (2007) - Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères en France : étude de préfaisabilité. Rapport BRGM/RP- 55481-FR, 243 pp., 94 ill., 8 ann. © BRGM, 2007, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM. Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères BRGM/RP-55481-FR – Rapport final 3 Synthèse En France, la surface totale des serres maraîchères chauffées est d’environ 1300 ha. Elle concerne principalement une production de tomate et de concombre. Depuis le début des cultures hors sol sous serre, la gestion du climat est devenue le maillon clé de la production. L’optimisation des paramètres climatiques, en prenant de plus en plus en compte la gestion de l’énergie, fait donc partie des enjeux majeurs de la décennie à venir. Le chauffage est en effet le deuxième poste en terme de coût après la main d’œuvre. Il est, par conséquent, une préoccupation majeure pour les serristes, préoccupation qui s’est accentuée avec la hausse du prix des combustibles. Il est donc devenu primordial d’optimiser la consommation en serre afin de réaliser des économies d’énergie tout en conservant le potentiel de production. L’enjeu de demain est de rendre les serres de plus en plus autonomes au niveau énergétique afin de permettre aux exploitations de rester compétitives sur un marché de plus en plus concurrentiel et de répondre à une exigence environnementale de plus en plus importante telle que les émissions de gaz à effet de serre. Aux Pays-Bas, plusieurs serres sont réchauffées et refroidies, en fonction de la saison, selon le principe du stockage thermique en aquifère, avec doublet de forages réversibles (c'est-à-dire servant alternativement de forage de pompage et de réinjection). Ce concept innovant, dont les premiers résultats des Pays Bas sont prometteurs, permettrait une économie d’énergie de près de 30% à 80% selon les équipements et un gain de rendement de 15% lié à une meilleure maîtrise du climat et de la nutrition carbonée. Un meilleur contrôle du climat de la serre permet de limiter l’entrée des ravageurs et donc de diminuer les traitements phytosanitaires. Afin d’étudier les possibilités de mise en œuvre de cette technique en France, le Ctifl a demandé au Brgm de réaliser une étude sur la faisabilité de stockage thermique en aquifère peu profond (inférieur à 200 m) pour chauffer et refroidir les serres. Cette étude est cofinancée par l’ADEME, le Ctifl, le Brgm et Viniflhor. L’objectif de la présente étude est d’étudier la préfaisabilité de ce système au niveau technique, réglementaire, économique et hydrogéologique. En France, les conditions hydrogéologiques et climatiques sont très variables, aussi l’étude de préfaisabilité s’est volontairement limitée en termes de contextes hydrogéologiques (proche de celui du Ctifl de Balandran, près de Nîmes) et climatiques (sud-est et nord-ouest de la France, représentés respectivement par les conditions climatiques de Nîmes et de Nantes). Cette étude de préfaisabilité s’est déroulée sur 10 mois, de juin 2006 à avril 2007. Elle couvre tous les aspects du cycle thermique, qui peut être décomposé en trois parties en étroite interaction : (1) le dimensionnement des besoins énergétiques de la serre, (2) le bilan thermique au niveau du système d’échange dans la serre, et enfin (3) le bilan thermique au niveau de l’aquifère. Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères 4 BRGM/RP-55481-FR – Rapport final Au niveau des aspects hydrogéologiques, l’étude de préfaisabilité consiste à inventorier les paramètres à prendre en compte, et à évaluer leur influence relative sur la faisabilité et l’efficacité du stockage thermique sur un site agricole donné. Cette étude est menée via une étude de sensibilité des paramètres à la fois aquifères (géométries, caractéristiques hydrodynamiques et thermiques) et d’exploitation (débit de pompage/réinjection, distance entre forages du doublet) sur des résultats de simulations numériques 3D des écoulements et des transferts thermiques, avec le logiciel MARTHE, développé par le Brgm. Cette analyse de sensibilité sur modélisations numériques a permis d’évaluer l’influence relative des différents paramètres sur l’efficacité du stockage thermique en aquifère, en restant dans des gammes de valeurs dérivant des caractéristiques du site du Ctifl de Balandran. Elle a également permis d’illustrer la complexité des phénomènes qui entrent en jeu dans le stockage thermique en aquifère. Un même paramètre pourra avoir à la fois des effets positif et négatif sur le stockage (épaisseur de l’aquifère par exemple), ou bien encore avoir un effet positif dans une gamme de valeurs et négatif dans une autre en fonction des valeurs des autres paramètres (le débit d’exploitation jouera en positif ou négatif en fonction de l’épaisseur de l’aquifère et de la distance entre forages par exemple). Cette interdépendance des différents paramètres est mise en exergue dans l’analyse de sensibilité. Le taux de récupération de l’énergie stockée varie de 0% à des valeurs très significatives (74%). La conclusion à retenir est que chaque site est un cas particulier, qui nécessitera un dimensionnement précis en fonction de son contexte hydrogéologique. Que ce soit au puits froid ou au puits chaud, on voit que la vitesse naturelle d’écoulement de l’aquifère est le facteur qui va le plus conditionner l’efficacité du stockage thermique. La distance entre les forages est un paramètre important également, pour limiter les interférences entre stocks d’eau. Si le principe de stockage d’énergie thermique en aquifère est déjà opérationnel depuis plusieurs années, en particulier aux Pays-Bas, il n’en demeure pas moins que la technologie n’est pas directement transposable d’un site à l’autre, car son applicabilité est complètement conditionnée par les caractéristiques hydrogéologiques locales du site. La condition sine (a)qua non pour qu’un système de stockage thermique en aquifère puisse être envisagé sur un site agricole donné est bien sûr la présence, sous ce site, d’un aquifère capable à la fois de fournir un débit suffisant et pérenne, de permettre la réinjection de ce même débit, et la récupération de l’énergie stockée la saison précédente, avec un taux de restitution acceptable. Cette technique est donc exigeante en termes de conditions aquifères à remplir, et implique des investissements conséquents. Aucune zone n’est donc exclue a priori, mais nécessitera une étude au cas par cas. Pour cette étude, une approche des besoins énergétiques pour le chauffage et le refroidissement dans le Sud-Est et le Nord-Ouest de la France a été réalisée. Cela permet de fixer des ordres de grandeur qu’il conviendra d’affiner en fonction des équipements (caractéristiques des échangeurs, de la pompe à chaleur et des réservoirs) pour la réalisation d’un projet. Application du stockage thermique en aquifère au chauffage et au refroidissement de serres maraîchères BRGM/RP-55481-FR – Rapport final 5 Sommaire 1. Introduction.............................................................................................................13 1.1. CONTEXTE : LES SERRES ET L’ENERGIE ....................................................13 1.2. PRESENTATION DE L’ETUDE BRGM – CTIFL - ADEME ...............................14 1.2.1. Principe du stockage thermique en aquifère ............................................14 1.2.2. Objectif et programme de l’étude de préfaisabilité ...................................17 2. Dimensionnement des besoins énergétiques en serre.......................................19 2.1. LISTE DES SYMBOLES....................................................................................19 2.2. BILAN THERMIQUE DE LA SERRE .................................................................19 2.2.1. Les apports solaires .................................................................................19 2.2.2. Les déperditions thermiques ....................................................................21 2.2.3. Bilan thermique- Besoins en chauffage....................................................22 2.2.4. Bilan thermique- Besoins en refroidissement ...........................................25 2.2.5. Etude de cas réels....................................................................................27 3. Bilan thermique au niveau du système d’échange .............................................29 3.1. LE SYSTEME D’ECHANGE ..............................................................................29 3.1.1. Les équipements ......................................................................................29 3.1.2. Calcul des débits d’eau nécessaires ........................................................31 3.1.3. Dimensionnement thermique avec les échangeurs FiWiHEX ..................36 4. Stockage thermique en aquifère : un rapide état de l’art....................................39 4.1. GEOTHERMIES uploads/Geographie/ stockage-thermiqueaquifere-ure-serres-rapport.pdf